電気機械モータに対する法線力の付与
電気機械モータ組立体（１）は、ステータ（３０）と、移動対象体（１０）と、ステータ支持部（３５）とを備える。ステータ（３０）は、常に電気機械アクチュエータ（２０）のうちの少なくとも１つを確実に対象体（１０）と非スライド方式で接触させるステップの反復により対象体（１０）を移動させるように構成された複数の電気機械アクチュエータ（２０）を有する。組立体は、さらに、少なくとも１つのバネ構成部（４２）により、ステータとステータ支持部との間に法線力（Ｎ）を加える加力構成部（４０）を備える。バネ構成部（４２）は、対象体（１０）の表面（５）に対する法線方向（Ｚ）に、法線力（Ｎ）と、対象体（１０）の表面（５）の平均高さ不確定性との比の５％未満となる低いバネ定数を有する。加力構成部（４０）は、さらに、主運動方向（Ｘ）に平行で、かつ、対象体（１０）の表面（５）に対して並置された状態で、ステータ（３０）とステータ支持部（３５）との間に取り付けられた横固定板（４６）を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電気機械マイクロモータに関し、特に複数の電気機械的にアクティブなアクチュエータ素子の反復動作を用いる電気機械マイクロモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
長年、例えば圧電材料等の電気機械的にアクティブな材料を用いたマイクロモータが、多数の種々の用途に用いられてきた。特に様々な消費者製品においては、小型、軽量、低消費電力、廉価構成が好まれるので、このようなモータが使用されている。このようなモータは、比較的高速であること、動作が静かなこと、低消費電力、高位置精度等を特徴とすることが多い。非常に高い位置決め精度を達成するために、「ウォーキング」機構、スティックスリップ（固着・滑り）機構、「慣性」位置決め、蠕動機構、ステッピング機構等、様々な運動機構が一般に用いられている。このような機構において、その運動は、複数の電気機械的にアクティブなアクチュエータ素子の反復動作に基づく。
【０００３】
このような電気機械モータの非常に好適な例が、米国特許第６，７９８，１１７号及び第７，３５５，３２５号に開示されている。二組の駆動素子が交互に移動対象物に接触する。駆動素子は共通の背面部に接続され、さらにモータの収納部に取り付けられている。対象物に運動を伝えるためには、収納部が駆動方向における駆動力に対する対向保持部として作用するように駆動素子を収納部に接続しなければならない。さらに、駆動素子は、対象物を駆動できるように、所定の法線力によって駆動対象物表面に対して保持されなければならない。米国特許第６，７９８，１１７号において、駆動素子は、駆動方向において「堅固性」が得られるように収納部に強固に取り付けられている。法線力は、バネ手段が一対のローラに対して作用することで対象物をアクチュエータ又は駆動素子の方向に押すことより得られる。
【０００４】
明確な動作を達成するため、非常に良好な表面精度が必要である。取り付けミス、非平面性、摩耗、変形等、位置ずれが原因でアクチュエータと駆動対象物との間の距離や角度の誤差があると、正確な駆動条件に不確定性が生じる。これにより速度、力、位置決め精度が影響を受けてしまう。このため、モータステータは、駆動対象物とステータ支持部との間の種々の相対位置ずれに適応できなければならない。
【０００５】
したがって、従来の電気機械モータの一般的な問題は、ステータ支持部に比較的影響されやすいという点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、複数の電気機械的にアクティブなアクチュエータ素子の反復動作を用い、表面とアクチュエータの高さの不確定性に対してより頑強な電気機械モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的は、本開示の独立請求項に係る電気機械モータにより達成される。本開示の従属請求項で、好ましい実施形態について具体的に述べる。一般に、電気機械モータ組立体は、ステータと、主運動方向においてステータに対して移動する移動対象体と、ステータ支持部とを備える。ステータは、複数の電気機械アクチュエータを有している。各電気機械アクチュエータは、移動対象体の表面と相互作用を行うための接触部を有している。複数の電気機械アクチュエータは、電気機械アクチュエータの各ステップの反復により移動対象体を移動させるように構成される。複数の電気機械アクチュエータは、常に接触部のうちの少なくとも１つが確実に移動対象体と物理的に非スライド接触するように構成される。電気機械モータ組立体は、さらに、ステータとステータ支持部との間に法線力を加える加力構成部を備える。加力構成部は、移動対象体の表面に対する法線方向において、ステータとステータ支持部との間に力を加えるように構成された少なくとも１つのバネ構成部を備える。加力構成部は、さらに、主運動方向に平行で、かつ、移動対象体の表面に対して物理的に接触せずに並置された状態で、ステータとステータ支持部との間に取り付けられた横固定板を備える。バネ構成部は、移動対象体の表面に対する法線方向に低いバネ定数を有している。このバネ定数は、法線力と、移動対象体の表面の平均高さ不確定性との比の５％未満とする。
【０００８】
本発明の利点として、この電気機械モータ組立体は、一般に、表面とアクチュエータの不正確な位置決めに影響を受けにくく、正確な動作を達成する。他の利点については、以下の詳細な説明の種々の実施形態により説明する。
【０００９】
本発明と、本発明のさらなる目的と利点については、添付図面を用いた以下の説明を参照することにより、最もよく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】平行移動と回転の方向を示す図である。
【図２Ａ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図２Ｂ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図２Ｃ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図２Ｄ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図２Ｅ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図３Ａ】本発明に係る電気機械モータ組立体の一実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】本発明に係る電気機械モータ組立体の一実施形態を示す図である。
【図３Ｃ】本発明に係る電気機械モータ組立体の一実施形態を示す図である。
【図４Ａ】法線力に対する対向保持部を設ける種々の実施形態の概略図である。
【図４Ｂ】法線力に対する対向保持部を設ける種々の実施形態の概略図である。
【図５】本発明に係る電気機械モータ組立体の他の実施形態の図である。
【図６】本発明に係る電気機械モータ組立体のさらに他の実施形態の図である。
【図７】法線力とねじり力との関係を示す概略図である。
【図８】蠕動運動を用いた、本発明に係る電気機械モータ組立体の一実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図中、同様の構成要素又は対応する構成要素には同じ参照番号を使用する。複数の電気機械アクチュエータ２０を有するステータ３０と移動対象体１０との間では、多数の異なる相対運動が可能である。図１は、以降の説明をわかりやすくするため、種々の可能な動きを示す。所望の主運動方向に沿った線形変位又は平行移動を、Ｘ方向の平行移動とする。アクチュエータ２０が作用する移動対象体１０の表面５に垂直な方向の線形変位又は平行移動を、Ｚ方向の平行移動とする。Ｘ及びＺの両方向に垂直な線形変位又は平行移動を、Ｙ方向の平行移動とする。
【００１２】
同様に、電気機械アクチュエータ２０と移動対象体１０との間の相対回転を定義することもできる。説明を簡単にすると、これらの相対回転は回転の中心となる軸により定められる。Ｘ方向の軸を中心とする相対回転をＲＸとする。すなわち、主運動方向に沿った回転である。これはロール回転と呼ばれることが多い。Ｙ方向の軸を中心とする相対回転をＲＹとする。これはピッチ回転と呼ばれることが多い。Ｚ方向の軸を中心とする相対回転をＲＺとする。これはヨー回転と呼ばれることが多い。
【００１３】
例えば対象体１０の表面平滑性の不正確さを許容するため、ステータ３０は、いずれのステータ支持部に対しても、ある程度の運動自由度を与える必要がある。多くの用途では、ＲＺ方向の回転に加えてＹ方向の平行運動も、駆動精度に関してさほど重要ではなく、また、種々のベアリング構成によって容易に制御される。したがって、まず、２つの平行移動Ｘ及びＺと、２つの回転ＲＹ及びＲＸに注目する。
【００１４】
図２Ａを参照して、アクチュエータ２０が対象体１０に力を加えようとするとき、ステータ３０とステータ支持部３５又は「モータ収納部」と間に反作用力がなければならない。多くの従来構成では、ステータ支持部３５に対してステータ３０を堅固に、あるいは、本質的に堅固に取り付けている。しかし、アクチュエータの高さの不正確さ、及び／又は、対象体１０の表面のむらを許容するために、ステータ３０をステータ支持部３５に対して少なくとも幾分か移動可能とすることが有利である。しかし、上述のように、常に何らかの物理的接続が必要である。この接続を図２Ａにて弾性接続部３１として示す。ＲＹ及びＲＸ方向の必要な回転とＺ方向の平行移動を許容するため、これらの弾性接続部３１はＺ方向において「弱い」ことが必要である。一方、Ｘ方向に高い位置精度を確保するために、弾性接続部３１はＸ方向において比較的「堅固」でなければならない。
【００１５】
なお、弾性接続部３１を図示のようにステータ３０の上部に設けた場合、ステータ支持部３５が弾性接続部３１を介してステータ３０にどのような力を加えても、この力はアクチュエータ２０と対象体１０との間の接触面２１に対してトルクを生じる。トルクアームをＤで示す。実際には、この接触面は対象体の相互作用面５と一致する。これは、アクチュエータ２０が対象体１０と相互作用を行うこと、すなわち、接触面２１にて対象体１０に駆動力を加えることによる。比較的大きい力を用いる場合、トルクがかなり大きくなることがあり、これによりＲＹ方向のピッチ回転が生じる。
【００１６】
図２Ｂの構成では、より良好な状況となる。この場合、Ｘ方向の動きを阻止する弾性接続部３１が、接触面２１に近い位置でステータ３０に接続されている。トルクアームが図２Ａのトルクアームと比較してごく僅かになるので、ステータ３０において作用するトルクはいずれも、はるかに小さくなる。
【００１７】
このことから、ステータ支持部３５に対するステータ２０のＸ方向の動きを制限する構成を、移動対象体１０の表面５に対して物理的接触がない状態で並置すればよいことがわかる。
【００１８】
多くの従来構成では、法線力の付与とＸ方向運動の制限は、１つの同じ部材で行われる。しかし、ステータ３０のＸ運動を制限する部材を対象体の表面５付近に設けた場合、この領域の空間が限定されすぎてしまい、少なくとも従来技術の法線力付与部材を収容できないことが多い。
【００１９】
Ｘ方向に高い堅固性が求められるのに対し、Ｚ方向の法線力の付与は、好ましくは、その方向に比較的高い運動自由度を与える必要がある。これは一般に、ＲＹ及びＲＸ方向の回転についても言えることである。この背景にある基本的な考え方は、図２Ｃ乃至２Ｅを参照することにより理解できるであろう。相互作用面の平坦性が不完全な対象体１０を、ステータ３０のアクチュエータ２０によって駆動する。図２Ｃ乃至２Ｅは、Ｘ方向における３つの異なる相対位置を示している。なお、この考え方を視覚化するために、図中、非平坦性を極端に誇張してある。移動対象体の表面の平均高さ不確定性をΔで示し、ｚ軸に沿った、モータ収納部に対する対象体の線形位置ずれとして定義する。また、これに対応してＲＹ及びＲＸ方向に角度ずれが生じる。特徴が比較的明確な動作を行うために、アクチュエータ２０と表面５の相対方向及び位置が異なるにもかかわらず、これら３つの位置すべてにおける動作条件は、ほぼ同一でなければならない。このため、ステータ３０は、加えた法線力を大きく変えずに、Ｚ方向に移動可能でなければならない。同様に、ステータ３０は、傾斜する表面５を補償するために、ＲＹ及び／又はＲＸ方向に回転可能でなければならない。つまり、Ｚ方向におけるステータとステータ支持部との接続の堅固性は低くなければならず、好ましくは、ＲＹ及び／又はＲＸ方向において少なくとも僅かな回転を可能とする必要がある。これにより、駆動対象体に対する良好な位置合わせが可能となり、例えば組立体において、プリロード力に影響を与えずに、ずれを許容することが可能となる。
【００２０】
図３Ａは、本発明に係る電気機械モータ１組立体の一実施形態の断面図を示す。この断面はＸ及びＺ方向に平行な平面で取ったものであり、組立体の中心からＹ方向にオフセットしている。図３Ｂは、移動対象体を取り除いた状態の断面図にて同実施形態を示す。この断面は、Ｘ及びＺ方向に平行な平面で取ったものであり、Ｙ方向において組立体の中心を通る。この断面はＸ及びＺ方向に平行な平面で取ったものであり、組立体の中心からＹ方向にオフセットしている。図３Ｃは、図３Ａと同様の図であるが、対象体を取り除いた状態である。以下の説明における図面の参照は、説明する特徴によって異なるが、すべてこれらの図についてである。ステータ３０は、複数の電気機械アクチュエータ２０を有している。各電気機械アクチュエータ２０は、移動対象体１０の表面５と相互作用を行うための接触部２２を有している。移動対象体１０は、主運動方向Ｘにおいてステータ３０に対して相対的に移動する。複数の電気機械アクチュエータ２０は、電気機械アクチュエータ２０の各ステップの反復により移動対象体１０を移動させるように構成されている。また、複数の電気機械アクチュエータ２０は、常に接触部２２のうちの少なくとも１つが確実に移動対象体１０と物理的に非スライド接触するように構成されている。電気機械モータ１組立体は、さらに、ステータ支持部３５を備えている。
【００２１】
本実施形態では、４つの電気機械アクチュエータが存在する。なお、複数の電気機械アクチュエータであれば、いくつ用いてもかまわない。一般的な構成では、電気機械アクチュエータは、少なくとも２グループの電気機械アクチュエータとして動作可能に接続される。各グループ内の電気機械アクチュエータは、それに対応する運動パターンで一緒に動く。各グループの運動はグループ間で異なり、一般的には位相差により異なる。なお、完全に異なる運動シーケンスを用いてもよい。一般的なウォーキング又はステッピング機構では、一方のグループの電気機械アクチュエータは、各時点で対象体に接触しており、好ましくは対象体に運動を伝えるが、他方のグループの電気機械アクチュエータは、対象体から離れ、新たなサイクルのために開始位置に戻されている。
【００２２】
この特定の実施形態の電気機械アクチュエータは、圧電セラミック材料からなる、ほぼ矩形のブロックとして形成されている。各ブロックは一端において共通の背面部に取り付けられ、他端に接触部２２が取り付けられている。本実施形態において、各ブロックはバイモルフとして構成され、２つの別々に励起可能な部分が主運動方向Ｘにおいて互いに隣接して配置されている。これら異なる部分に好適な電圧を印加することにより、ブロックをＸ方向に曲げることができるとともに、Ｚ方向の長さを変えることができる。このような形状変化を利用して、対象体との相互作用や対象体の移動を達成することができる。個々のブロックは互いに独立して機械的に移動可能である。すなわち、共通背面部又は移動対象体を介する以外、ブロック間で力の交換が行われることはほとんどない。なお、ブロック間の隙間は、ブロックの形状変化に影響を与えないような、容易に変形可能な材料で埋めてもよい。
【００２３】
また、以下にさらに説明するが、本発明の加力方式とともに他の種類の運動機構を用いることもできる。
【００２４】
加力構成部を全体として４０で示すが、例えば、この加力構成部を設けて、ステータ３０とステータ支持部３５との間に法線力Ｎ、すなわち、対象体１０の表面５に対して垂直方向、つまりＺ方向の力を与える。加力構成部４０は、Ｚ方向においてステータ３０とステータ支持部３５との間に力を与えるように構成された、少なくとも１つのバネ構成部４２を備えている。本実施形態において、バネ構成部４２は、板バネ、固体エラストマー、液体（液圧式）、気体（圧縮空気式）、電磁力等、他の種類の弾力性構成部によるものでもよい。
【００２５】
加力構成部４０は、さらに、主運動方向Ｘに平行で、かつ、移動対象体１０の表面５に対して物理的に接触せずに並置された状態で、ステータ３０とステータ支持部３５との間に取り付けられた横固定板４６を備えている。バネ構成部４２は、移動対象体１０の表面５に対する法線方向Ｚに低いバネ定数を有している。このバネ定数は、法線力Ｎと、移動対象体１０の表面５の平均高さ不確定性との比の５％未満とする。これにより、全体的な動作条件に過大な変化を生じることなく、表面平坦性の不確定性を補償することが可能である。経験的には、多くの用途におけるモータ動作は、力の変動が５％であれば許容できる。しかし、力の変動を小さく維持できるならば、もちろんその方が良い。したがって、より好ましくは、特に非常に高い再現性が要求される用途においては、バネ定数は、法線力Ｎと、移動対象体１０の表面５の平均高さ不確定性との比の１％未満とする。
【００２６】
本実施形態では、バネ構成部４２は、ステータ３０とステータ支持部３５との間で、ステータ３０の中心のＸ方向における両側に設けられた２つのコイルバネ４４を備えている。一般に、この中心は、主運動方向Ｘに垂直でステータ３０の対称点を通る対称面２６と一致する。このようなコイルバネ４４の配置により、法線力Ｎがステータ３０上で対称的に与えられる。すなわち、法線力Ｎは、ＲＹ方向にステータ３０を傾斜させるように作用することはない。他の実施形態において、単一のバネをステータ３０の中心と同じ平面に設けることもできる。
【００２７】
本発明のコイルバネ４４は、ステータ支持部３５とステータ３０の背面側との間に設けられる。本実施形態において、コイルバネ４４は、それぞれ、ステータ支持部３５の本体にネジ構造で接続された中空ボルト４１により保持される。コイルバネ４４は、その一端が中空ボルト４１のヘッドにてフランジ４３により支持されている。コイルバネは、バネ定数が低いことが好ましいので、十分な法線力Ｎを与えるには、コイルバネ４４を相当圧縮しなければならない。このため、非圧縮状態のバネは、取り付け時のバネの長さを比べて非常に長い。取り付けを容易にするために、本実施形態では、取り付け時にガイド棒を通すことができる長手方向の穴をボルトヘッドに設けている。ガイド棒をコイルバネ内部に配置し、圧縮時のコイルバネの横曲がりを防止する。コイルバネ４４の他端はステータ３０の背面側に作用する。
【００２８】
本実施形態では、ステータの中心の両側に２つの部分力を与えることにより、ＲＹ方向の回転トルクが発生する。このような回転トルクは、以下に詳細に説明するが、例えば図２Ｄのように角度ずれにより生じる場合もある。多くの用途では、中心から同距離に、すなわち、一般的には対称面２６に、２つの等しいバネを設けて、ステータに対して十分な力を発生させることが好ましい。このような構成では、回転に対抗する戻り力は回転方向と無関係であり、法線力自体の付与が回転成分を与えることはない。
【００２９】
可能であれば、法線力はステータの中心に、又は、ステータの中心に対して対称的に加えるべきである。例えば、対称面２６において１つのバネを設ける。なお、幾つかの特定の用途においては、ステータ３０の中心に対して異なる距離に２つ以上のバネを設けることが有利となる。
【００３０】
信頼性の高い動作を達成するため、好ましい実施形態では、ねじり可撓性が十分低くなるバネ構成部を備える。本開示においては、ねじり可撓性は、回転に対する抵抗として定義され、角度単位毎に発生した回転運動量として表される。図７は、法線力Ｎとねじり可撓性との関係を示す。距離Ｌだけ離れた２点に、回転点Ｒに対して対称的に法線力Ｎの半分を加えるとする。対象体は角度θだけ回転し、これにより対象体の各端部がそれぞれ、元の平面に対して距離（１／２）×Δだけ上下に移動する。２点におけるバネ定数ｋ／２の各バネによって加えられた法線力はトルクＭを生じ、回転を戻そうとする。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ここで、Ｆ０は回転のない場合の法線力である。角度が小さい場合、Δは回転角θにより表され、これにより、次の数式２となる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
ねじり可撓性は、Ｍ／θ’として定義される。ｌを、回転点と、法線力を加える位置との間のＸ方向の距離として定義すると、すなわち、ｌ＝Ｌ／２とすると、好ましいねじり可撓性は、次の数式３で表わすことができる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
つまり、ねじり可撓性は、好ましくは、法線力Ｎと、移動対象体の表面の平均２倍高さ不確定性Δとの比に、加えた力のトルクアームの二乗を掛けた値の５％未満であるべきである。このねじり可撓性は、多くの用途において十分である。トルクアームは、一般に、ステータの対称点と、法線力（の半分）が加えられる点との間のＸ方向の距離である。さらに好適な実施形態では、特に非常に高い再現性が要求される用途においては、ねじり可撓性は、上記の値の１％未満である必要がある。
【００３７】
図２Ａ乃至２Ｅで説明したように、ステータ３０とステータ支持部３５との間の接続部は、Ｘ方向においてかなり堅固でなければならない。図３Ａ乃至３Ｃの実施形態では、上述のように、これは横固定板４６により得られる。本実施形態では、横固定板４６は移動対象体１０の表面５に平行に設けられる。ここでは、横固定板４６は、電気機械アクチュエータ２０が突出して通る矩形穴４８を設けた中央矩形部４７を備えている。中央矩形部４７は、例えばネジによりステータ３０に強固に取り付けられている。横固定板４６は、さらに、Ｘ方向における横固定板４６の両端に、それぞれ端部取付部４９を備えている。端部取付部４９は、例えばネジによりステータ支持部３５に強固に取り付けられている。中央矩形部４７と端部取付部４９とは、各ブリッジ部４５により連結されている。本実施形態では、ブリッジ部４５は、Ｙ方向において横固定板４６の他の部分よりも狭いが、Ｘ方向に比較的堅固な連結を行うのに十分な幅を有している。幅狭のブリッジ部４５により、法線力やＸ方向の力に実質的な影響を与えずに、ステータをＲＸ方向に僅かに回転させることができる可能性が高くなる。横固定板は、ねじり可撓性に対する要求を考慮して設計されたものであるならば、単一又は平行カンチレバー構造であってもよい。
【００３８】
本実施形態では、コイルバネ４４と横固定板４６とを組み合わせることで、Ｘ方向のバネ定数が非常に高く、すなわち、Ｘ方向に非常に堅固な構成でありながら、Ｚ方向に低いバネ定数で法線力が得られる。さらに、ＲＹ方向に僅かな回転が可能である。また、幅狭のブリッジ部４５により、ＲＸ方向に僅かな回転が可能である。
【００３９】
図３Ａ乃至３Ｃでは、ステータ支持部３５を移動対象体に対して保持する様子を、明確には示していない。一般に、移動対象体に対して法線力の対向保持部がなければならないが、主運動方向の運動はできるだけ無制限であるべきである。この要件に対し、従来技術において知られているような、いくつかの解決手段がある。図４Ａに一解決手段を示す。ステータ３０を、ステータ支持部３５から移動対象体１０の表面５の方向に押す。ステータ支持部３５は、移動対象体１０の反対側まで延びており、Ｚ方向においては比較的強固であるがＸ方向の相対運動を可能にする手段７によって、接触表面５とは反対側６から対象体１０に接触する。手段７はホイールとして示されているが、例えば、スライド及び／又はロール回転を行う種々の接触部を用いる等、種々の方法で構成することができる。別の例を図４Ｂに示す。ここでは、ツインタイプのモータを示す。２つのステータ３０を、互い対向する方向から移動対象体１０に押し付ける。ステータ支持部３５は、ステータ３０の背面部付近まで延びており、ステータを支持する。これにより、一方のステータからの力が、他方のステータの法線力に対する対向支持力として作用する。当該分野の技術者ならわかるように、従来技術による対向支持部構成のための解決手段として、本発明と組み合わせて用いることが可能な手段は多数ある。
【００４０】
図５は、本発明に係る電気機械モータ組立体１の他の実施形態を側面図にて示す。この側面図は、ステータ支持部３５の断面にて取ったものである。本実施例では、加力構成部４０は、ステータ３０の各側に２つの板構造部５０を備えている。図面には板構造部５０の一方のみを示してある。板構造部５０は、横固定板に対する垂直方向において対向するステータ３０両側に取り付けられた各薄板を有している。したがって、これらの板は移動対象体１０の表面５に垂直である。これにより、図示の平面に垂直な方向、すなわち、Ｙ方向の可撓性が得られる。以下にさらに説明するが、これは板平面と一致することから、Ｘ方向に比較的高い剛性が得られる。また、以下にさらに説明するが、柔軟な弾力性部材としての作用を得るために、Ｚ方向の剛性は低くなっている。板構造部５０の内側部５１は、例えばネジによりステータ３０に強固に取り付けられている。板構造部５０の外部取付部５２は、本実施形態では角ブラケットの形をとっており、ステータ支持部３５に強固に取り付けられている。横固定板４６と、板構造部５０の結合部５５は、内側部５１と外部取付部５２とに機械的に連結されている。横固定板４６と結合部５５はステータ３０に直接固定されてはいないが、内側部５１を介してステータ３０に取り付けられている。
【００４１】
板構造部５０のＸ方向の寸法は一般的には比較的幅広である。つまり、例えば、板平面に平行な方向における横固定板４６の材料剛性は維持されるということである。したがって、図３Ａ乃至３Ｃと同じ作用が達成される。横固定板４６と内側部５１との接合部５４の中心を図中破線５７で示し、Ｚ方向において、Ｘ方向の力がステータ３０にかかる位置を定める。この中心線は、好ましくは移動対象体１０の表面５に物理的に接触しないで並置された状態で設けられる。本実施形態では、横固定板４６は、横方向、すなわち、Ｙ方向において表面５に対して並置されている（図１参照）。
【００４２】
本実施形態において、バネ構成部４２は２つの横固定板と一体化している。横固定板４６は、板構造部５０の幅狭部として設けられる２つの屈曲可能な接合部５４、５６によって、結合部５５と内側部５１との間に接続されている。これら屈曲可能接合部５４、５６を適切な寸法で設計することにより、これらによるＺ方向のバネ作用、例えばバネ定数を修正することができる。本発明によれば、移動対象体１０の表面５に対する法線方向Ｚのバネ定数を、法線力と、移動対象体１０の表面５の平均高さ不確定性との比の５％未満とする。したがって、横固定板４６と結合部５５は、屈曲可能接合部５４、５６が許容できる限り、ステータ３０に対して相対的にＸ及びＺ方向に僅かに動くことができる。Ｚ方向に所定のプリロードを有する板構造部５０を取り付けることにより、必要な法線力が得られる。板構造部５０の寸法は、バネ作用の動作にとって重要であり、好ましくは、板構造部５０をアークスパーク浸食により製造される。
【００４３】
図６は、本発明に係る電気機械モータ組立体１のさらに他の実施形態を側面図にて示す。本実施形態は図５の実施形態と多くの点で似ているが、板構造部５０の実設計が少し異なる。ここでは、ステータ３０に対する取付部として２つの内側部５１を設ける。横固定板４６はＸ方向において板構造部５０全体にわたって延びているが、ここでは、Ｘ方向における両内側部５１間の位置にて結合部５５に取り付けられている。横固定板４６と結合部５５はステータ３０に直接固定されてはいないが、内側部５１を介してステータ３０に取り付けられている。この構成によって、ステータ３０に対する、より対称的な加力が行われるが、製造や取り付けがより複雑になる。
【００４４】
また、上述のように、常に電気機械アクチュエータの接触部のうちの少なくとも１つが移動対象体に物理的に非スライド接触した状態で、電気アクチュエータの各ステップの反復により移動対象体を移動させる他の運動機構を用いることもできる。このような機構の一例として蠕動運動機構がある。可能な蠕動モータについての背景説明が、例えば、米国特許第７，１６１，２７８号に記載されている。このようなモータにおいても、図８に示すように、本加力方式の利点を得ることができる。
【００４５】
ステータ３０は、移動対象体１０の表面５と相互作用を行う接触部２２を有する多数の電気機械アクチュエータ２０を備えている。電気機械アクチュエータ２０は順次励起されて、長さ（Ｚ方向）と幅（Ｘ方向）が変化する。本実施形態では、電気機械アクチュエータ２０は、ほぼ全長にわたって単体として一体化されている。つまり、少なくとも幅が変化すると、対象体１０に対する他の電気機械アクチュエータ２０の相対位置が影響を受けるということである。幅が順次変化することにより、ステータ３０は対象体１０に対して段階的な動きを行う。
【００４６】
実際の蠕動運動の詳細は、本発明の効果を達成するのに特に重要ではないので、詳細な説明は省略する。常に電気機械アクチュエータ２０の接触部２２のうちの少なくとも１つが移動対象体１０に物理的に非スライド接触した状態で、電気アクチュエータ２０の各ステップの反復によりこのような運動を実現できればよい。このタイプの運動に関する背景説明が必要な場合、米国特許第７，１６１，２７８号を参照されたい。
【００４７】
本実施形態において、ステータ３０は、Ｘ方向における所定位置にて実際の電気機械アクチュエータ２０に強固に取り付けられた金属シェル３３を有している。本実施形態では、加力構成部４０は、２つのコイルバネ４４からなるバネ構成部４２と、横固定板４６とにより構成されている。コイルバネ４４は、移動対象体１０の表面５に対する法線方向Ｚにおいて、ステータ３０のシェル３３とステータ支持部３５との間に力を加える。横固定板４６は、主運動方向Ｘに平行に、かつ、対象体１０の表面５に物理的に接触しないで並置された状態で、ステータ３０のシェル３３とステータ支持部３５との間に取り付けられている。
【００４８】
バネ定数の選択は、上述の説明にしたがって行う。上述の各実施形態は、本発明の例として理解されるべきである。当該分野の技術者ならば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、これらの実施形態について種々の修正、組み合わせ、変更を行うことできるとわかるであろう。特に、技術的に可能である場合、他の構成において種々の実施形態の種々の部分的解決手段を組み合わせることができる。なお、本発明の主旨は、添付の特許請求の範囲により定める。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電気機械マイクロモータに関し、特に複数の電気機械的にアクティブなアクチュエータ素子の反復動作を用いる電気機械マイクロモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
長年、例えば圧電材料等の電気機械的にアクティブな材料を用いたマイクロモータが、多数の種々の用途に用いられてきた。特に様々な消費者製品においては、小型、軽量、低消費電力、廉価構成が好まれるので、このようなモータが使用されている。このようなモータは、比較的高速であること、動作が静かなこと、低消費電力、高位置精度等を特徴とすることが多い。非常に高い位置決め精度を達成するために、「ウォーキング」機構、スティックスリップ（固着・滑り）機構、「慣性」位置決め、蠕動機構、ステッピング機構等、様々な運動機構が一般に用いられている。このような機構において、その運動は、複数の電気機械的にアクティブなアクチュエータ素子の反復動作に基づく。
【０００３】
このような電気機械モータの非常に好適な例が、米国特許第６，７９８，１１７号及び第７，３５５，３２５号に開示されている。二組の駆動素子が交互に移動対象物に接触する。駆動素子は共通の背面部に接続され、さらにモータの収納部に取り付けられている。対象物に運動を伝えるためには、収納部が駆動方向における駆動力に対する対向保持部として作用するように駆動素子を収納部に接続しなければならない。さらに、駆動素子は、対象物を駆動できるように、所定の法線力によって駆動対象物表面に対して保持されなければならない。米国特許第６，７９８，１１７号において、駆動素子は、駆動方向において「堅固性」が得られるように収納部に強固に取り付けられている。法線力は、バネ手段が一対のローラに対して作用することで対象物をアクチュエータ又は駆動素子の方向に押すことより得られる。
【０００４】
明確な動作を達成するため、非常に良好な表面精度が必要である。取り付けミス、非平面性、摩耗、変形等、位置ずれが原因でアクチュエータと駆動対象物との間の距離や角度の誤差があると、正確な駆動条件に不確定性が生じる。これにより速度、力、位置決め精度が影響を受けてしまう。このため、モータステータは、駆動対象物とステータ支持部との間の種々の相対位置ずれに適応できなければならない。
【０００５】
したがって、従来の電気機械モータの一般的な問題は、ステータ支持部に比較的影響されやすいという点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、複数の電気機械的にアクティブなアクチュエータ素子の反復動作を用い、表面とアクチュエータの高さの不確定性に対してより頑強な電気機械モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的は、本開示の独立請求項に係る電気機械モータにより達成される。本開示の従属請求項で、好ましい実施形態について具体的に述べる。一般に、電気機械モータ組立体は、ステータと、主運動方向においてステータに対して移動する移動対象体と、ステータ支持部とを備える。ステータは、複数の電気機械アクチュエータを有している。各電気機械アクチュエータは、移動対象体の表面と相互作用を行うための接触部を有している。複数の電気機械アクチュエータは、電気機械アクチュエータの各ステップの反復により移動対象体を移動させるように構成される。複数の電気機械アクチュエータは、常に接触部のうちの少なくとも１つが確実に移動対象体と物理的に非スライド接触するように構成される。電気機械モータ組立体は、さらに、ステータとステータ支持部との間に法線力を加える加力構成部を備える。加力構成部は、移動対象体の表面に対する法線方向において、ステータとステータ支持部との間に力を加えるように構成された少なくとも１つのバネ構成部を備える。加力構成部は、さらに、主運動方向に平行で、かつ、移動対象体の表面に対して物理的に接触せずに並置された状態で、ステータとステータ支持部との間に取り付けられた横固定板を備える。バネ構成部は、移動対象体の表面に対する法線方向に低いバネ定数を有している。このバネ定数は、法線力と、移動対象体の表面の平均高さ不確定性との比の５％未満とする。
【０００８】
本発明の利点として、この電気機械モータ組立体は、一般に、表面とアクチュエータの不正確な位置決めに影響を受けにくく、正確な動作を達成する。他の利点については、以下の詳細な説明の種々の実施形態により説明する。
【０００９】
本発明と、本発明のさらなる目的と利点については、添付図面を用いた以下の説明を参照することにより、最もよく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】平行移動と回転の方向を示す図である。
【図２Ａ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図２Ｂ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図２Ｃ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図２Ｄ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図２Ｅ】モータ組立体における力、平行移動、回転の条件を示す図である。
【図３Ａ】本発明に係る電気機械モータ組立体の一実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】本発明に係る電気機械モータ組立体の一実施形態を示す図である。
【図３Ｃ】本発明に係る電気機械モータ組立体の一実施形態を示す図である。
【図４Ａ】法線力に対する対向保持部を設ける種々の実施形態の概略図である。
【図４Ｂ】法線力に対する対向保持部を設ける種々の実施形態の概略図である。
【図５】本発明に係る電気機械モータ組立体の他の実施形態の図である。
【図６】本発明に係る電気機械モータ組立体のさらに他の実施形態の図である。
【図７】法線力とねじり力との関係を示す概略図である。
【図８】蠕動運動を用いた、本発明に係る電気機械モータ組立体の一実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図中、同様の構成要素又は対応する構成要素には同じ参照番号を使用する。複数の電気機械アクチュエータ２０を有するステータ３０と移動対象体１０との間では、多数の異なる相対運動が可能である。図１は、以降の説明をわかりやすくするため、種々の可能な動きを示す。所望の主運動方向に沿った線形変位又は平行移動を、Ｘ方向の平行移動とする。アクチュエータ２０が作用する移動対象体１０の表面５に垂直な方向の線形変位又は平行移動を、Ｚ方向の平行移動とする。Ｘ及びＺの両方向に垂直な線形変位又は平行移動を、Ｙ方向の平行移動とする。
【００１２】
同様に、電気機械アクチュエータ２０と移動対象体１０との間の相対回転を定義することもできる。説明を簡単にすると、これらの相対回転は回転の中心となる軸により定められる。Ｘ方向の軸を中心とする相対回転をＲＸとする。すなわち、主運動方向に沿った回転である。これはロール回転と呼ばれることが多い。Ｙ方向の軸を中心とする相対回転をＲＹとする。これはピッチ回転と呼ばれることが多い。Ｚ方向の軸を中心とする相対回転をＲＺとする。これはヨー回転と呼ばれることが多い。
【００１３】
例えば対象体１０の表面平滑性の不正確さを許容するため、ステータ３０は、いずれのステータ支持部に対しても、ある程度の運動自由度を与える必要がある。多くの用途では、ＲＺ方向の回転に加えてＹ方向の平行運動も、駆動精度に関してさほど重要ではなく、また、種々のベアリング構成によって容易に制御される。したがって、まず、２つの平行移動Ｘ及びＺと、２つの回転ＲＹ及びＲＸに注目する。
【００１４】
図２Ａを参照して、アクチュエータ２０が対象体１０に力を加えようとするとき、ステータ３０とステータ支持部３５又は「モータ収納部」と間に反作用力がなければならない。多くの従来構成では、ステータ支持部３５に対してステータ３０を堅固に、あるいは、本質的に堅固に取り付けている。しかし、アクチュエータの高さの不正確さ、及び／又は、対象体１０の表面のむらを許容するために、ステータ３０をステータ支持部３５に対して少なくとも幾分か移動可能とすることが有利である。しかし、上述のように、常に何らかの物理的接続が必要である。この接続を図２Ａにて弾性接続部３１として示す。ＲＹ及びＲＸ方向の必要な回転とＺ方向の平行移動を許容するため、これらの弾性接続部３１はＺ方向において「弱い」ことが必要である。一方、Ｘ方向に高い位置精度を確保するために、弾性接続部３１はＸ方向において比較的「堅固」でなければならない。
【００１５】
なお、弾性接続部３１を図示のようにステータ３０の上部に設けた場合、ステータ支持部３５が弾性接続部３１を介してステータ３０にどのような力を加えても、この力はアクチュエータ２０と対象体１０との間の接触面２１に対してトルクを生じる。トルクアームをＤで示す。実際には、この接触面は対象体の相互作用面５と一致する。これは、アクチュエータ２０が対象体１０と相互作用を行うこと、すなわち、接触面２１にて対象体１０に駆動力を加えることによる。比較的大きい力を用いる場合、トルクがかなり大きくなることがあり、これによりＲＹ方向のピッチ回転が生じる。
【００１６】
図２Ｂの構成では、より良好な状況となる。この場合、Ｘ方向の動きを阻止する弾性接続部３１が、接触面２１に近い位置でステータ３０に接続されている。トルクアームが図２Ａのトルクアームと比較してごく僅かになるので、ステータ３０において作用するトルクはいずれも、はるかに小さくなる。
【００１７】
このことから、ステータ支持部３５に対するステータ２０のＸ方向の動きを制限する構成を、移動対象体１０の表面５に対して物理的接触がない状態で並置すればよいことがわかる。
【００１８】
多くの従来構成では、法線力の付与とＸ方向運動の制限は、１つの同じ部材で行われる。しかし、ステータ３０のＸ運動を制限する部材を対象体の表面５付近に設けた場合、この領域の空間が限定されすぎてしまい、少なくとも従来技術の法線力付与部材を収容できないことが多い。
【００１９】
Ｘ方向に高い堅固性が求められるのに対し、Ｚ方向の法線力の付与は、好ましくは、その方向に比較的高い運動自由度を与える必要がある。これは一般に、ＲＹ及びＲＸ方向の回転についても言えることである。この背景にある基本的な考え方は、図２Ｃ乃至２Ｅを参照することにより理解できるであろう。相互作用面の平坦性が不完全な対象体１０を、ステータ３０のアクチュエータ２０によって駆動する。図２Ｃ乃至２Ｅは、Ｘ方向における３つの異なる相対位置を示している。なお、この考え方を視覚化するために、図中、非平坦性を極端に誇張してある。移動対象体の表面の平均高さ不確定性をΔで示し、ｚ軸に沿った、モータ収納部に対する対象体の線形位置ずれとして定義する。また、これに対応してＲＹ及びＲＸ方向に角度ずれが生じる。特徴が比較的明確な動作を行うために、アクチュエータ２０と表面５の相対方向及び位置が異なるにもかかわらず、これら３つの位置すべてにおける動作条件は、ほぼ同一でなければならない。このため、ステータ３０は、加えた法線力を大きく変えずに、Ｚ方向に移動可能でなければならない。同様に、ステータ３０は、傾斜する表面５を補償するために、ＲＹ及び／又はＲＸ方向に回転可能でなければならない。つまり、Ｚ方向におけるステータとステータ支持部との接続の堅固性は低くなければならず、好ましくは、ＲＹ及び／又はＲＸ方向において少なくとも僅かな回転を可能とする必要がある。これにより、駆動対象体に対する良好な位置合わせが可能となり、例えば組立体において、プリロード力に影響を与えずに、ずれを許容することが可能となる。
【００２０】
図３Ａは、本発明に係る電気機械モータ１組立体の一実施形態の断面図を示す。この断面はＸ及びＺ方向に平行な平面で取ったものであり、組立体の中心からＹ方向にオフセットしている。図３Ｂは、移動対象体を取り除いた状態の断面図にて同実施形態を示す。この断面は、Ｘ及びＺ方向に平行な平面で取ったものであり、Ｙ方向において組立体の中心を通る。この断面はＸ及びＺ方向に平行な平面で取ったものであり、組立体の中心からＹ方向にオフセットしている。図３Ｃは、図３Ａと同様の図であるが、対象体を取り除いた状態である。以下の説明における図面の参照は、説明する特徴によって異なるが、すべてこれらの図についてである。ステータ３０は、複数の電気機械アクチュエータ２０を有している。各電気機械アクチュエータ２０は、移動対象体１０の表面５と相互作用を行うための接触部２２を有している。移動対象体１０は、主運動方向Ｘにおいてステータ３０に対して相対的に移動する。複数の電気機械アクチュエータ２０は、電気機械アクチュエータ２０の各ステップの反復により移動対象体１０を移動させるように構成されている。また、複数の電気機械アクチュエータ２０は、常に接触部２２のうちの少なくとも１つが確実に移動対象体１０と物理的に非スライド接触するように構成されている。電気機械モータ１組立体は、さらに、ステータ支持部３５を備えている。
【００２１】
本実施形態では、４つの電気機械アクチュエータが存在する。なお、複数の電気機械アクチュエータであれば、いくつ用いてもかまわない。一般的な構成では、電気機械アクチュエータは、少なくとも２グループの電気機械アクチュエータとして動作可能に接続される。各グループ内の電気機械アクチュエータは、それに対応する運動パターンで一緒に動く。各グループの運動はグループ間で異なり、一般的には位相差により異なる。なお、完全に異なる運動シーケンスを用いてもよい。一般的なウォーキング又はステッピング機構では、一方のグループの電気機械アクチュエータは、各時点で対象体に接触しており、好ましくは対象体に運動を伝えるが、他方のグループの電気機械アクチュエータは、対象体から離れ、新たなサイクルのために開始位置に戻されている。
【００２２】
この特定の実施形態の電気機械アクチュエータは、圧電セラミック材料からなる、ほぼ矩形のブロックとして形成されている。各ブロックは一端において共通の背面部に取り付けられ、他端に接触部２２が取り付けられている。本実施形態において、各ブロックはバイモルフとして構成され、２つの別々に励起可能な部分が主運動方向Ｘにおいて互いに隣接して配置されている。これら異なる部分に好適な電圧を印加することにより、ブロックをＸ方向に曲げることができるとともに、Ｚ方向の長さを変えることができる。このような形状変化を利用して、対象体との相互作用や対象体の移動を達成することができる。個々のブロックは互いに独立して機械的に移動可能である。すなわち、共通背面部又は移動対象体を介する以外、ブロック間で力の交換が行われることはほとんどない。なお、ブロック間の隙間は、ブロックの形状変化に影響を与えないような、容易に変形可能な材料で埋めてもよい。
【００２３】
また、以下にさらに説明するが、本発明の加力方式とともに他の種類の運動機構を用いることもできる。
【００２４】
加力構成部を全体として４０で示すが、例えば、この加力構成部を設けて、ステータ３０とステータ支持部３５との間に法線力Ｎ、すなわち、対象体１０の表面５に対して垂直方向、つまりＺ方向の力を与える。加力構成部４０は、Ｚ方向においてステータ３０とステータ支持部３５との間に力を与えるように構成された、少なくとも１つのバネ構成部４２を備えている。本実施形態において、バネ構成部４２は、板バネ、固体エラストマー、液体（液圧式）、気体（圧縮空気式）、電磁力等、他の種類の弾力性構成部によるものでもよい。
【００２５】
加力構成部４０は、さらに、主運動方向Ｘに平行で、かつ、移動対象体１０の表面５に対して物理的に接触せずに並置された状態で、ステータ３０とステータ支持部３５との間に取り付けられた横固定板４６を備えている。バネ構成部４２は、移動対象体１０の表面５に対する法線方向Ｚに低いバネ定数を有している。このバネ定数は、法線力Ｎと、移動対象体１０の表面５の平均高さ不確定性との比の５％未満とする。これにより、全体的な動作条件に過大な変化を生じることなく、表面平坦性の不確定性を補償することが可能である。経験的には、多くの用途におけるモータ動作は、力の変動が５％であれば許容できる。しかし、力の変動を小さく維持できるならば、もちろんその方が良い。したがって、より好ましくは、特に非常に高い再現性が要求される用途においては、バネ定数は、法線力Ｎと、移動対象体１０の表面５の平均高さ不確定性との比の１％未満とする。
【００２６】
本実施形態では、バネ構成部４２は、ステータ３０とステータ支持部３５との間で、ステータ３０の中心のＸ方向における両側に設けられた２つのコイルバネ４４を備えている。一般に、この中心は、主運動方向Ｘに垂直でステータ３０の対称点を通る対称面２６と一致する。このようなコイルバネ４４の配置により、法線力Ｎがステータ３０上で対称的に与えられる。すなわち、法線力Ｎは、ＲＹ方向にステータ３０を傾斜させるように作用することはない。他の実施形態において、単一のバネをステータ３０の中心と同じ平面に設けることもできる。
【００２７】
本発明のコイルバネ４４は、ステータ支持部３５とステータ３０の背面側との間に設けられる。本実施形態において、コイルバネ４４は、それぞれ、ステータ支持部３５の本体にネジ構造で接続された中空ボルト４１により保持される。コイルバネ４４は、その一端が中空ボルト４１のヘッドにてフランジ４３により支持されている。コイルバネは、バネ定数が低いことが好ましいので、十分な法線力Ｎを与えるには、コイルバネ４４を相当圧縮しなければならない。このため、非圧縮状態のバネは、取り付け時のバネの長さを比べて非常に長い。取り付けを容易にするために、本実施形態では、取り付け時にガイド棒を通すことができる長手方向の穴をボルトヘッドに設けている。ガイド棒をコイルバネ内部に配置し、圧縮時のコイルバネの横曲がりを防止する。コイルバネ４４の他端はステータ３０の背面側に作用する。
【００２８】
本実施形態では、ステータの中心の両側に２つの部分力を与えることにより、ＲＹ方向の回転トルクが発生する。このような回転トルクは、以下に詳細に説明するが、例えば図２Ｄのように角度ずれにより生じる場合もある。多くの用途では、中心から同距離に、すなわち、一般的には対称面２６に、２つの等しいバネを設けて、ステータに対して十分な力を発生させることが好ましい。このような構成では、回転に対抗する戻り力は回転方向と無関係であり、法線力自体の付与が回転成分を与えることはない。
【００２９】
可能であれば、法線力はステータの中心に、又は、ステータの中心に対して対称的に加えるべきである。例えば、対称面２６において１つのバネを設ける。なお、幾つかの特定の用途においては、ステータ３０の中心に対して異なる距離に２つ以上のバネを設けることが有利となる。
【００３０】
信頼性の高い動作を達成するため、好ましい実施形態では、ねじり可撓性が十分低くなるバネ構成部を備える。本開示においては、ねじり可撓性は、回転に対する抵抗として定義され、角度単位毎に発生した回転運動量として表される。図７は、法線力Ｎとねじり可撓性との関係を示す。距離Ｌだけ離れた２点に、回転点Ｒに対して対称的に法線力Ｎの半分を加えるとする。対象体は角度θだけ回転し、これにより対象体の各端部がそれぞれ、元の平面に対して距離（１／２）×Δだけ上下に移動する。２点におけるバネ定数ｋ／２の各バネによって加えられた法線力はトルクＭを生じ、回転を戻そうとする。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ここで、Ｆ０は回転のない場合の法線力である。角度が小さい場合、Δは回転角θにより表され、これにより、次の数式２となる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
ねじり可撓性は、Ｍ／θ’として定義される。ｌを、回転点と、法線力を加える位置との間のＸ方向の距離として定義すると、すなわち、ｌ＝Ｌ／２とすると、好ましいねじり可撓性は、次の数式３で表わすことができる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
つまり、ねじり可撓性は、好ましくは、法線力Ｎと、移動対象体の表面の平均２倍高さ不確定性Δとの比に、加えた力のトルクアームの二乗を掛けた値の５％未満であるべきである。このねじり可撓性は、多くの用途において十分である。トルクアームは、一般に、ステータの対称点と、法線力（の半分）が加えられる点との間のＸ方向の距離である。さらに好適な実施形態では、特に非常に高い再現性が要求される用途においては、ねじり可撓性は、上記の値の１％未満である必要がある。
【００３７】
図２Ａ乃至２Ｅで説明したように、ステータ３０とステータ支持部３５との間の接続部は、Ｘ方向においてかなり堅固でなければならない。図３Ａ乃至３Ｃの実施形態では、上述のように、これは横固定板４６により得られる。本実施形態では、横固定板４６は移動対象体１０の表面５に平行に設けられる。ここでは、横固定板４６は、電気機械アクチュエータ２０が突出して通る矩形穴４８を設けた中央矩形部４７を備えている。中央矩形部４７は、例えばネジによりステータ３０に強固に取り付けられている。横固定板４６は、さらに、Ｘ方向における横固定板４６の両端に、それぞれ端部取付部４９を備えている。端部取付部４９は、例えばネジによりステータ支持部３５に強固に取り付けられている。中央矩形部４７と端部取付部４９とは、各ブリッジ部４５により連結されている。本実施形態では、ブリッジ部４５は、Ｙ方向において横固定板４６の他の部分よりも狭いが、Ｘ方向に比較的堅固な連結を行うのに十分な幅を有している。幅狭のブリッジ部４５により、法線力やＸ方向の力に実質的な影響を与えずに、ステータをＲＸ方向に僅かに回転させることができる可能性が高くなる。横固定板は、ねじり可撓性に対する要求を考慮して設計されたものであるならば、単一又は平行カンチレバー構造であってもよい。
【００３８】
本実施形態では、コイルバネ４４と横固定板４６とを組み合わせることで、Ｘ方向のバネ定数が非常に高く、すなわち、Ｘ方向に非常に堅固な構成でありながら、Ｚ方向に低いバネ定数で法線力が得られる。さらに、ＲＹ方向に僅かな回転が可能である。また、幅狭のブリッジ部４５により、ＲＸ方向に僅かな回転が可能である。
【００３９】
図３Ａ乃至３Ｃでは、ステータ支持部３５を移動対象体に対して保持する様子を、明確には示していない。一般に、移動対象体に対して法線力の対向保持部がなければならないが、主運動方向の運動はできるだけ無制限であるべきである。この要件に対し、従来技術において知られているような、いくつかの解決手段がある。図４Ａに一解決手段を示す。ステータ３０を、ステータ支持部３５から移動対象体１０の表面５の方向に押す。ステータ支持部３５は、移動対象体１０の反対側まで延びており、Ｚ方向においては比較的強固であるがＸ方向の相対運動を可能にする手段７によって、接触表面５とは反対側６から対象体１０に接触する。手段７はホイールとして示されているが、例えば、スライド及び／又はロール回転を行う種々の接触部を用いる等、種々の方法で構成することができる。別の例を図４Ｂに示す。ここでは、ツインタイプのモータを示す。２つのステータ３０を、互い対向する方向から移動対象体１０に押し付ける。ステータ支持部３５は、ステータ３０の背面部付近まで延びており、ステータを支持する。これにより、一方のステータからの力が、他方のステータの法線力に対する対向支持力として作用する。当該分野の技術者ならわかるように、従来技術による対向支持部構成のための解決手段として、本発明と組み合わせて用いることが可能な手段は多数ある。
【００４０】
図５は、本発明に係る電気機械モータ組立体１の他の実施形態を側面図にて示す。この側面図は、ステータ支持部３５の断面にて取ったものである。本実施例では、加力構成部４０は、ステータ３０の各側に２つの板構造部５０を備えている。図面には板構造部５０の一方のみを示してある。板構造部５０は、横固定板に対する垂直方向において対向するステータ３０両側に取り付けられた各薄板を有している。したがって、これらの板は移動対象体１０の表面５に垂直である。これにより、図示の平面に垂直な方向、すなわち、Ｙ方向の可撓性が得られる。以下にさらに説明するが、これは板平面と一致することから、Ｘ方向に比較的高い剛性が得られる。また、以下にさらに説明するが、柔軟な弾力性部材としての作用を得るために、Ｚ方向の剛性は低くなっている。板構造部５０の内側部５１は、例えばネジによりステータ３０に強固に取り付けられている。板構造部５０の外部取付部５２は、本実施形態では角ブラケットの形をとっており、ステータ支持部３５に強固に取り付けられている。横固定板４６と、板構造部５０の結合部５５は、内側部５１と外部取付部５２とに機械的に連結されている。横固定板４６と結合部５５はステータ３０に直接固定されてはいないが、内側部５１を介してステータ３０に取り付けられている。
【００４１】
板構造部５０のＸ方向の寸法は一般的には比較的幅広である。つまり、例えば、板平面に平行な方向における横固定板４６の材料剛性は維持されるということである。したがって、図３Ａ乃至３Ｃと同じ作用が達成される。横固定板４６と内側部５１との接合部５４の中心を図中破線５７で示し、Ｚ方向において、Ｘ方向の力がステータ３０にかかる位置を定める。この中心線は、好ましくは移動対象体１０の表面５に物理的に接触しないで並置された状態で設けられる。本実施形態では、横固定板４６は、横方向、すなわち、Ｙ方向において表面５に対して並置されている（図１参照）。
【００４２】
本実施形態において、バネ構成部４２は２つの横固定板と一体化している。横固定板４６は、板構造部５０の幅狭部として設けられる２つの屈曲可能な接合部５４、５６によって、結合部５５と内側部５１との間に接続されている。これら屈曲可能接合部５４、５６を適切な寸法で設計することにより、これらによるＺ方向のバネ作用、例えばバネ定数を修正することができる。本発明によれば、移動対象体１０の表面５に対する法線方向Ｚのバネ定数を、法線力と、移動対象体１０の表面５の平均高さ不確定性との比の５％未満とする。したがって、横固定板４６と結合部５５は、屈曲可能接合部５４、５６が許容できる限り、ステータ３０に対して相対的にＸ及びＺ方向に僅かに動くことができる。Ｚ方向に所定のプリロードを有する板構造部５０を取り付けることにより、必要な法線力が得られる。板構造部５０の寸法は、バネ作用の動作にとって重要であり、好ましくは、板構造部５０をアークスパーク浸食により製造される。
【００４３】
図６は、本発明に係る電気機械モータ組立体１のさらに他の実施形態を側面図にて示す。本実施形態は図５の実施形態と多くの点で似ているが、板構造部５０の実設計が少し異なる。ここでは、ステータ３０に対する取付部として２つの内側部５１を設ける。横固定板４６はＸ方向において板構造部５０全体にわたって延びているが、ここでは、Ｘ方向における両内側部５１間の位置にて結合部５５に取り付けられている。横固定板４６と結合部５５はステータ３０に直接固定されてはいないが、内側部５１を介してステータ３０に取り付けられている。この構成によって、ステータ３０に対する、より対称的な加力が行われるが、製造や取り付けがより複雑になる。
【００４４】
また、上述のように、常に電気機械アクチュエータの接触部のうちの少なくとも１つが移動対象体に物理的に非スライド接触した状態で、電気アクチュエータの各ステップの反復により移動対象体を移動させる他の運動機構を用いることもできる。このような機構の一例として蠕動運動機構がある。可能な蠕動モータについての背景説明が、例えば、米国特許第７，１６１，２７８号に記載されている。このようなモータにおいても、図８に示すように、本加力方式の利点を得ることができる。
【００４５】
ステータ３０は、移動対象体１０の表面５と相互作用を行う接触部２２を有する多数の電気機械アクチュエータ２０を備えている。電気機械アクチュエータ２０は順次励起されて、長さ（Ｚ方向）と幅（Ｘ方向）が変化する。本実施形態では、電気機械アクチュエータ２０は、ほぼ全長にわたって単体として一体化されている。つまり、少なくとも幅が変化すると、対象体１０に対する他の電気機械アクチュエータ２０の相対位置が影響を受けるということである。幅が順次変化することにより、ステータ３０は対象体１０に対して段階的な動きを行う。
【００４６】
実際の蠕動運動の詳細は、本発明の効果を達成するのに特に重要ではないので、詳細な説明は省略する。常に電気機械アクチュエータ２０の接触部２２のうちの少なくとも１つが移動対象体１０に物理的に非スライド接触した状態で、電気アクチュエータ２０の各ステップの反復によりこのような運動を実現できればよい。このタイプの運動に関する背景説明が必要な場合、米国特許第７，１６１，２７８号を参照されたい。
【００４７】
本実施形態において、ステータ３０は、Ｘ方向における所定位置にて実際の電気機械アクチュエータ２０に強固に取り付けられた金属シェル３３を有している。本実施形態では、加力構成部４０は、２つのコイルバネ４４からなるバネ構成部４２と、横固定板４６とにより構成されている。コイルバネ４４は、移動対象体１０の表面５に対する法線方向Ｚにおいて、ステータ３０のシェル３３とステータ支持部３５との間に力を加える。横固定板４６は、主運動方向Ｘに平行に、かつ、対象体１０の表面５に物理的に接触しないで並置された状態で、ステータ３０のシェル３３とステータ支持部３５との間に取り付けられている。
【００４８】
バネ定数の選択は、上述の説明にしたがって行う。上述の各実施形態は、本発明の例として理解されるべきである。当該分野の技術者ならば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、これらの実施形態について種々の修正、組み合わせ、変更を行うことできるとわかるであろう。特に、技術的に可能である場合、他の構成において種々の実施形態の種々の部分的解決手段を組み合わせることができる。なお、本発明の主旨は、添付の特許請求の範囲により定める。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ（３０）と、
主運動方向（Ｘ）において前記ステータ（３０）に対して移動する移動対象体（１０）と、
ステータ支持部（３５）とを備え、
前記ステータ（３０）は、複数の電気機械アクチュエータ（２０）を有し、各電気機械アクチュエータ（２０）は、前記移動対象体（１０）の表面（５）と相互作用を行うための接触部（２２）を有し、
前記複数の電気機械アクチュエータ（２０）は、前記電気機械アクチュエータ（２０）の各ステップの反復により前記移動対象体（１０）を移動させるように構成され、
前記複数の電気機械アクチュエータ（２０）は、常に前記接触部（２２）のうちの少なくとも１つが確実に前記移動対象体（１０）と物理的に非スライド接触するように構成され、
前記ステータ（３０）と前記ステータ支持部（３５）との間に法線力（Ｎ）を加える加力構成部（４０）を備え、
前記加力構成部（４０）は、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に対する法線方向（Ｚ）において、前記ステータ（３０）と前記ステータ支持部（３５）との間に力を加えるように構成された少なくとも１つのバネ構成部（４２）を備え、
前記加力構成部（４０）は、さらに、
前記主運動方向（Ｘ）に平行に、かつ、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に対して物理的に接触せずに並置された状態で、前記ステータ（３０）と前記ステータ支持部（３５）との間に取り付けられた横固定板（４６）を備え、
前記バネ構成部（４２）は、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に対する前記法線方向（Ｘ）に低いバネ定数を有し、
前記バネ定数は、前記法線力（Ｎ）と、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）の平均高さ不確定性（Δ）との比の５％未満であること
を特徴とする電気機械モータ組立体（１）。
【請求項２】
前記バネ定数は、前記法線力（Ｎ）と、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）の平均高さ不確定性（Δ）との比の１％未満であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械モータ。
【請求項３】
前記バネ構成部（４２）のねじり可撓性は、前記法線力（Ｎ）と、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）の平均高さ不確定性（Δ）との比に、前記ステータ（３０）の対称点と前記法線力（Ｎ）の少なくとも一部が加えられる点との前記主運動方向（Ｘ）における距離の二乗を掛けた値の５％未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械モータ。
【請求項４】
前記バネ構成部（４２）の前記ねじり可撓性は、前記法線力（Ｎ）と、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）の平均高さ不確定性（Δ）との比に、前記ステータ（３０）の前記対称点と前記法線力（Ｎ）の少なくとも前記一部が加えられる前記点との前記主運動方向（Ｘ）における前記距離の二乗を掛けた値の１％未満であることを特徴とする請求項３に記載の電気機械モータ。
【請求項５】
前記バネ構成部（４２）は、前記主運動方向（Ｘ）に垂直で前記ステータ（３０）の対称点を通る対称面（２６）に対して対称的に前記法線力（Ｎ）を与えるように構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電気機械モータ。
【請求項６】
前記バネ構成部（４２）は、前記対称面（２６）の各側において、前記ステータ（３０）と前記ステータ支持部（３５）との間に設けられる２つのコイルバネ（４４）を備えることを特徴とする請求項５に記載の電気機械モータ。
【請求項７】
前記横固定板（４６）は、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に平行に設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械モータ。
【請求項８】
前記ステータ（３０）の、前記横固定板（４６）に垂直な方向における各側に、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に垂直に、２つの前記横固定板（４６）が設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械モータ。
【請求項９】
前記バネ構成部（４２）は、前記２つ横固定板（４６）と一体化していることを特徴とする請求項８に記載の電気機械モータ。
【請求項１】
ステータ（３０）と、
主運動方向（Ｘ）において前記ステータ（３０）に対して移動する移動対象体（１０）と、
ステータ支持部（３５）とを備え、
前記ステータ（３０）は、複数の電気機械アクチュエータ（２０）を有し、各電気機械アクチュエータ（２０）は、前記移動対象体（１０）の表面（５）と相互作用を行うための接触部（２２）を有し、
前記複数の電気機械アクチュエータ（２０）は、前記電気機械アクチュエータ（２０）の各ステップの反復により前記移動対象体（１０）を移動させるように構成され、
前記複数の電気機械アクチュエータ（２０）は、常に前記接触部（２２）のうちの少なくとも１つが確実に前記移動対象体（１０）と物理的に非スライド接触するように構成され、
前記ステータ（３０）と前記ステータ支持部（３５）との間に法線力（Ｎ）を加える加力構成部（４０）を備え、
前記加力構成部（４０）は、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に対する法線方向（Ｚ）において、前記ステータ（３０）と前記ステータ支持部（３５）との間に力を加えるように構成された少なくとも１つのバネ構成部（４２）を備え、
前記加力構成部（４０）は、さらに、
前記主運動方向（Ｘ）に平行に、かつ、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に対して物理的に接触せずに並置された状態で、前記ステータ（３０）と前記ステータ支持部（３５）との間に取り付けられた横固定板（４６）を備え、
前記バネ構成部（４２）は、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に対する前記法線方向（Ｘ）に低いバネ定数を有し、
前記バネ定数は、前記法線力（Ｎ）と、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）の平均高さ不確定性（Δ）との比の５％未満であること
を特徴とする電気機械モータ組立体（１）。
【請求項２】
前記バネ定数は、前記法線力（Ｎ）と、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）の平均高さ不確定性（Δ）との比の１％未満であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械モータ。
【請求項３】
前記バネ構成部（４２）のねじり可撓性は、前記法線力（Ｎ）と、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）の平均高さ不確定性（Δ）との比に、前記ステータ（３０）の対称点と前記法線力（Ｎ）の少なくとも一部が加えられる点との前記主運動方向（Ｘ）における距離の二乗を掛けた値の５％未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械モータ。
【請求項４】
前記バネ構成部（４２）の前記ねじり可撓性は、前記法線力（Ｎ）と、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）の平均高さ不確定性（Δ）との比に、前記ステータ（３０）の前記対称点と前記法線力（Ｎ）の少なくとも前記一部が加えられる前記点との前記主運動方向（Ｘ）における前記距離の二乗を掛けた値の１％未満であることを特徴とする請求項３に記載の電気機械モータ。
【請求項５】
前記バネ構成部（４２）は、前記主運動方向（Ｘ）に垂直で前記ステータ（３０）の対称点を通る対称面（２６）に対して対称的に前記法線力（Ｎ）を与えるように構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電気機械モータ。
【請求項６】
前記バネ構成部（４２）は、前記対称面（２６）の各側において、前記ステータ（３０）と前記ステータ支持部（３５）との間に設けられる２つのコイルバネ（４４）を備えることを特徴とする請求項５に記載の電気機械モータ。
【請求項７】
前記横固定板（４６）は、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に平行に設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械モータ。
【請求項８】
前記ステータ（３０）の、前記横固定板（４６）に垂直な方向における各側に、前記移動対象体（１０）の前記表面（５）に垂直に、２つの前記横固定板（４６）が設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械モータ。
【請求項９】
前記バネ構成部（４２）は、前記２つ横固定板（４６）と一体化していることを特徴とする請求項８に記載の電気機械モータ。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１３−５１１２５１（Ｐ２０１３−５１１２５１Ａ）
【公表日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３８７８６（Ｐ２０１２−５３８７８６）
【出願日】平成２１年１１月１１日（２００９．１１．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２００９／０５１２８８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５９３６９
【国際公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（５０３２２２１０１）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１１日（２００９．１１．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２００９／０５１２８８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５９３６９
【国際公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（５０３２２２１０１）
【Ｆターム（参考）】
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