JP2000507439A - 圧電気アクチュエータまたはモーター、その方法ならびにその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、電場の影響によってその形状を変化させ、これによって、小さなステップを非共振的に繰り返すことによって本体に対する運動が生成される電気機械材料を含むアクチュエータまたはモーターを開示する。前記アクチュエータまたはモーターは、前記電気機械材料中に集積された少なくとも１つの一体構造モジュールを含む。前記一体構造モジュールは、少なくとも１つの受動部分（１）および少なくとも１つの能動素子（２）を有し、これによって、前記能動素子（２）の所で少なくとも２つの独立したコンタクト点が前記移動する本体に接触して設けられる。前記コンタクト点は、前記一体構造モジュールの前記受動部分（１）に対して少なくとも２つの独立した方向に互いに独立して位置付け可能である。前記一体構造モジュールを単独でまたは他のモジュールと組み合わせて使用して、前記本体に対する運動を生成する。本発明はまた、前記モジュールを駆動する方法を開示する。上記のタイプのアクチュエータまたはモーターを製造する方法も開示される。前記製造方法は、前記電気機械材料の未焼結のボディに幾何学的形状を複製するステップを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 圧電気アクチュエータまたはモーター、その方法ならびにその製造方法 発明の技術分野 本発明は一般的には、電場の影響によってその形状を変化させる電気機械材料 を含む小型のモーターおよびアクチュエータに関し、より特定的には、別の本体 に対する運動が小さなステップの繰り返しによって生成されるモーターおよびア クチュエータに関する。本発明はまた、このようなモーターの駆動方法および製 造方法にも関する。 関連技術 数ミリ未満の寸法範囲を持つ高性能モーターに対して大きな需要が存在するが 、この種のモーターは、線形および／または回転の運動を生成できなければなら ない。この種のモーターは高精度を持ち、同時に大出力を発生できることがしば しば望ましい。この種のモーターで信頼性が高くしかも安価であるモーターが、 例えばカメラ、ハードディスク、ＣＤプレイヤーなどを駆動するのに必要とされ るので、潜在市場はきわめて大きいことがわかる。例えばポンプなどの医学用機 器の分野でも、このようなモーターには大きな関心が寄せられている。 現在の技術水準では、電気機械材料に基づくさまざま な装置が存在する。電気機械材料は、電場の影響を受けるとその形状を変化させ るという興味深い特性がある。したがって、ベースプレートに固定された電気機 械材料片は、電場を印加されるとその固定されていない表面が動く。このような 運動は、収縮であれ伸張であれ、さまざまなタイプのモーターまたはアクチュエ ータを構築するのに利用することができる。 １センチ以上の範囲の寸法を持つモーターに対してしばしば用いられる技法は 超音波モーター技法と呼ばれる。同じ種類のデバイスに対してしばしば用いられ る他の用語は共振、振動、進行波、衝撃式モーターデバイスなどがある。一般的 には、このようなモーターにおいては、電気機械材料は、それ自身および通常は 金属ブロックである固体片材料に対して共振振動を印加する。例えば進行波モー ターにおいては、金属ブロックの突出部分は楕円形の運動を余儀なくされ、この 突出部分と接触している別の物体が、この運動に従って運動することを余儀なく させられる。これが超小型モーターとなると、このような運動があまりに小さく なりすぎて、調節不能な表面微細構造によって制限されるため、この技法は不利 となる。 電気機械材料からなる超小型モーターにとってより適切なアプローチは、固有 共振で作動しないない装置を用いることである。このようなモーターに対する要 求を満足させるに十分高い電位を有する１つの特定的な起動原 理としては、インチワームタイプのモーター（Ｍ．ベクセル、Ａ．−Ｌ．ティエ ンスー、Ｊ−Ａシュバイツ、Ｊ．セデルクビストおよびＳ．ヨハンセンによる、 「センサーとアクチュエータ」Ａ、４３（１９９４）３２２−３２９（M．Bexel l，A-L．Tiensuu，J-A．Schweitz，J．Sderkvist，and S．Johansson，Sensors and Actuators A，43(1994)322-329））がある。その運動は、昆虫の尺取り虫に 類似した方法で小さなステップの繰り返しによって発生するのでこの名前がある （微細位置付け書籍、フィシャー、ニューヨーク、バーレーインスツルメント社 、１９９０（The micropositioning book．Fishers，NY:Burleigh Instruments ，Inc．（1990） )。この運動の原理は、本出願の以下では、「非共振ステップ 」技法と呼ばれ、上述の超音波技法とは区別される。電気機械材料の部分もまた 、ＰＺＴと呼ばれる。 この運動の原理は単純である。移動中の本体が２つの爪の間に保持され、移動 する本体の各側に前記爪の各々が存在する。各爪は、移動する本体に実質的に平 行な、長手方向のＰＺＴ片からなっており、その各端部に、横方向ＰＺＴが存在 する。ＰＺＴは、金属の本体上に組み立てられる。横方向ＰＺＴのすべてが開始 位置で付勢されて伸張し、前記移動する本体を把持し、対向する２つの前部横方 向ＰＺＴが再収縮し、前記移動する本体の把持をゆるめる。電場が前記長手方向 ＰＺＴに印加されその長さを伸張し、前記前部横方向ＰＺＴが実質的に強制 的に再度伸張されて、前記移動する本体を新しい位置で把持する。後部横方向Ｐ ＺＴは前記移動する本体に対するその把持をゆるめ、前記長手方向ＰＺＴは再度 収縮し、この後で、前記後部ＰＺＴは再度前記本体を把持する。このようなサイ クルの結果、前記移動する本体は前記２つの爪に対して移動することになる。 上記のように動作を制御するために、電子制御装置が必要である。エレクトロ ニクスが、異なるＰＺＴに適切な電圧を適切な順序で供給しなければならない。 このような電圧シーケンスは非常に高速で繰り返され得るので、小さなステップ 寸法にもかかわらず、比較的高速の運動を得ることが可能である。 非共振ステップ原理に基づいた既存の製品の開発を制限する決定的な要因がい くつか存在する。これらの制限の１つは、個々の起動素子を十分にストロークさ せるのが困難である点であり、システム中で、前記素子および他の部品を高精度 で組み立てるための経費が高価であるという点である。これらの問題に対してい くつかの解決法が、ヨハンセンによるスウェーデン特許出願第９３００３０５− １号に提示されている。少なくとも２軸運動機能を持つ起動素子を用いることに よって、素子の数を減少させている。同時に、前記素子中における内部テコ（例 えば、バイモルフ）によって運動を拡大でき、これによって設計の際の自由度が 増大する。これらの着想にしたがって、超小型モーターが構築されたが、予測し た とおりの望ましい高いトルクおよび運動能力を持つことが分かった(Ｍ．ベクセ ルおよびＳ．ヨハンセン「トランスジューサ」、ストックホルム、スウェーデン 、１９９５、５２８−ニュース（M．Bexell and S．Johansonn，Transducers，S tockholm，Sweden（１９９５）528-News）)。 上記の解決法によれば、別の本体に対する運動を次のようにして達成できる。 電気機械材料からなる４つの能動素子を、通常はシリコン製である受動ベースプ レート上に取り付け、移動する本体はこの突出する能動素子に対して保持される 。素子はすべて、ＰＺＴの縦方向に分割された２つの被制御部分からなり、前記 ２つの部分はいずれも、ベースプレートと移動する本体の間に伸張している。電 圧を印加して、前記ＰＺＴの第１の部分に対して水平方向だが他方の部分に対し てはそうではない電場を発生させると、一方の部分は縦方向に収縮する傾向があ るが、他方は不変である。前記２つの部分は物理的に１つの物体片に一体化され ているので、前記能動素子は次に、活動的な部分の側に湾曲する。前記部分の双 方を付勢すると、前記素子全体が収縮し、前記第２のＰＺＴだけに電圧を印加す ると、前記素子は他方の側に湾曲する。前記別々の部分に対する電圧を変更させ ることによって、前記能動素子の上部におけるコンタクト点が菱形領域内部のな んらかの経路に沿って進行する。「コンタクト点」はもちろん、数学的な意味で はなく、実際の幾何学と垂直力によって変化する小さな「接触領域」で あり、これらの表現は本明細書では同義語として使用されている。 次々と配置された４つの能動素子を側部方向への運動方向で用いることによっ て、前記本体に対する運動作用を与えることができる。前記第１と第３の素子を 同位相で移動させ、前記第３と第４の素子を位相を異にして移動させることによ って、上記と類似の非共振ステップ運動が達成される。 現在のところ、このモーターは、現在周知のいかなる超小型モーターと比較し ても単位体積当たり最高のトルクを発生させる。本発明の起源であるこの構造で もいくつか欠点がある。以前の特許出願では、モーターは、例えば、基板上に取 り付けられた能動素子からなっており、通常は、半田付けによって組み立てられ ていた。これはかなり時間のかかる作業であり、したがって経費が高くなる。し かしながら、ほとんどの応用分野では、モーター１つ１つの経費が非常に低いこ とを要求している。 上記の特許出願では、バイモルフまたは多数モルフ(multimorph)の素子を用い て２軸運動および、それと同時に、ストローク拡大の可能性を得ていた。単一締 め付けバイモルフの欠点は、力容量が理想的なテコと比較して大幅に減少されて しまうことであり、これが、力があまり必要でない場合の位置付けに上述のタイ プの素子が通常的に使用される理由である。二重締め付けバイモルフ、曲折膜ま たはアーチ形構造体は、米国特許第５，５８９， ７２５号に開示されているように、与えられたストローク拡大のための力容量が 良好である。しかしながら、このようなテコ装置構造体はいまだ提示されていな い。製造（例えば組み立て）の経費があまりにも高価すぎるのか、あるいは性能 が十分でないのかである。 超小型モーターの１つの重要な応用分野は、カテーテルタイプの器具（医療用 ）である。問題は、長く狭い管をいかにして制御するかである。管自体を器具と するかまたは、他のカテーテルタイプの器具のための補助物とするかである。直 径が５ｍｍ未満の寸法を持つ管タイプの構造体の運動を制御方法に対してはほん のいくつかの提案や例があるだけである。その提案はすべて明らかな欠点がある 。運動が遅すぎるか、管が弱すぎるか、加熱しすぎるかである。 従来、圧電気材料からなる多層構造体は次に示すように製造されてきた。未焼 結のテープを、圧電粉末と重合体接着剤の混合物をテープ鋳込みすることによっ て作る。電極パターンの輪郭を、前記未焼結のテープ上に金属ペーストをスクリ ーン印刷することによって定める。多層構造体を、これらのテープを積層して作 り、次にこの構造体を２つのステップ、すなわち重合体をバーンアウトする第１ のステップと焼結させる第２のステップとで熱処理して、一体構造のユニットを 生成する。その外部形状は、ほとんど一般的に、未焼結の状態のときに鋭いくさ びで切削されるが、掘削や切削・せん孔などの他の技 法を用いてもよい。焼結の後で、さまざまな電極に対するコンタクトを、層に対 して直角に、側面上に金属ペーストを印刷したり塗布したりして形成し、次に前 記ペーストを熱処理して金属を形成する。 超小型モーターの将来の応用分野での主要な点は、製造が安価でなければなら ないことである。現在の微細製造技法はむしろ高価であり、安価な能動部品の製 造には適していない。主たる必要性は、電極のパターン形成および電気活性材料 の層間電気接続である。 発明の概要 従って、本発明の１つの目的は、できる限り少ない数の個別素子からなり、非 共振ステップ原理を用いたモーターまたはアクチュエータを提供し、装置の運動 の精度を維持または改良することである。本発明の別の目的は、このようなモー ターやアクチュエータの製造方法を提供することである。 本発明のさらに別の目的は、さらに小型化できるモーターやアクチュエータを 提供することである。 本発明のさらに別の目的は、広い範囲の合成運動を達成できるモーターやアク チュエータを提供することである。 上記の目的は、請求の範囲第１項によるモーターやアクチュエータによって達 成される。アクチュエータまたはモーターは、小さなステップを繰り返して実行 するこ とによって運動が生成される運動作用を与える電気機械材料を含む。前記アクチ ュエータは、電気機械材料中に集積された電極を持つ少なくとも１つの一体構造 のモジュールを含む。「一体構造」という用語は本書では、熱処理によって最終 的に集積された、例えば別々の材料を焼結したブロックなどの１つの単一の一体 的な本体を意味する。前記アクチュエータは、移動する本体との間に少なくとも ２つのコンタクト点を有するが、前記コンタクト点は、少なくとも２つの独立し た方向に、前記一体構造モジュール中の受動部品に対して互いに独立して位置付 けすることができる。前記モジュールは、単独でまたは他のモジュールと組み合 わせて、他の本体を移動させる目的で用いることができる。 本発明による前記製造方法は、電気機械材料などのセラミック製ボディ中に複 雑な電極を配置させるためのものであり、前記方法は、幾何学的形状を、電気機 械材料の粒子を持つ重合体のテープ中に複製するステップを含む。前記複製ステ ップによって、前記モジュールが３次元でパターン形成される。 図面の簡単な説明 本発明は次に示す添付図面を参照してより詳細に以下に説明される。 図１は、本発明による六角形の一体構造体の１つの好ましい実施態様の図であ り； 図２は、調整可能な形状を持つ、管状の１つの実施態様を示し； 図３は、ぜん動性内部運動をする同心内部管を含む、図２による実施態様の変 更例の図であり； 図４は、回転運動と線形運動が合成された運動を可能とする１つの実施態様を 示し； 図５は、与えられるストローク拡大のための力容量が向上したアーチ形状構造 体を示し； 図６は、電気活性テープの形状の輪郭を定める圧延プロセスを示し； 図７は、電極層をコーティングした電気活性材料の可塑的変形されたテープの 最終的な形状の一部を示し； 図８は、本発明によるアクチュエータを生産するさらなる方法を示し； 図９は、開始材料として用いられる薄膜中の整合形状を示す。 実施態様の好ましい説明 本発明の１つの好ましい実施態様を図１に示す。図１には、すべての能動素子 を集積した一体構造モジュールが開示されている。前記一体構造モジュールは、 共にモジュールの一体部分である、大きい方の六角形の機械的に受動的な部分１ と能動素子２とに関して説明できる。したがって、これらの部分が一緒になって 一体構造モジュールを形成しているので、図１に示すどの部分も取り 外すことはできない。前記能動素子２は、前記モジュールに対して移動すること になる本体の表面と接触あるいは少なくとも近傍に存在するように配置される（ 図示されていない）。 各素子２は、通常は多層構造体の、好ましくは圧電性の電気機械材料からなる 。電気機械材料は、それに印加されたある電場に反応する。電圧が印加されたと き大きく形状を変化させるためには、電場は前記材料のあらゆる部分で高い値で なければならない。多層化されていない材料の場合、１つの電圧を構造体全体に 印加しなければならないので、非常に高い電圧が必要である。多層化構造体の利 点の１つは、特定の電場を達成するに必要とされる電圧が低くてすむことである 。これは、例えば駆動エレクトロニクスを持つ構造体の整合にとって望ましい。 これは、電極層および接地層を材料内部に導入することによって達成される。各 電極に比較的低い電圧を印加しても、局所電場は大きな形状変化を引き起こすの に十分なほど高くなる。 このような多層化構造体の可能な構成を図１の上部に示す。同図には、前記素 子の１つの拡大図が示されている。電気的コンタクト１７ Ｉから１７ ＶＩは 電極１６ Ｉから１６ ＶＩに接続され、接地コンタクト１７ ０は、同図中の 電気機械層間の接地層１６ ０に接続されている。同図中で、前記電気機械材料 は実際には透明ではないが、前記電気機械層は分かりやすいように透明な体積と して 描かれている。電極やコンタクトを含め、拡大図に示すすべての部分は、前記一 体構造モジュールの一体化された部分をなす。 前記能動素子２の上記の構成では、各能動素子を３つの独立した方向に移動さ せることができる。同じ電圧を電極１７ Ｉから１７ ＶＩのすべてに印加する ことによって、能動素子２全体がその高さを伸張する、すなわち、移動される本 体に対する前記コンタクト点は上方に移動する。例えば、電圧を電極１７ Ｉお よび１７ ＩＩに印加すると、前記電気機械材料の対応する部分の高さが延長し ようとするが、一方、それ以外の部分は不変のままである。同図中では、この状 況は、前記能動素子２を内方に傾斜させ、これによって前記コンタクト点を内側 にそして幾分上方に移動させる。同様に、電圧を前記電極１７ ＩＩ１から１７ ＩＶに印加すると、前記能動素子２は図１で左側に曲げられる。このような運 動を合成することによって、前記能動素子２の前記コンタクト点を、ある制限値 内の任意の方向に移動させることができる。 したがって、図１に示すように電極を配置することによって、前記素子の上部 表面を基板に対して任意の方向に移動させることができる。例えば図１中のＡと Ｂのように配置された２つの独立した組の能動素子があれば、前記モジュールは 、非共振ステップ技法タイプのモーターに容易に用いることができる。 このような運動の１例は回転運動である。動かされる る本体が、活動していないとき、各素子２に対して１つのコンタクト点を有する ように前記能動素子の上部に置かれると仮定する。ステップサイクルは、最初に Ａ組の能動素子を伸張させることで開始され、これによってＡ組の素子の３つの コンタクト点だけが残る。次に、前記Ａ組の素子は、そのすべてが前記六角形の 受動部分１に最も近いところにある端と平行に曲がるように起動される。次に、 移動する本体は、前記モジュールの中心を通る軸の回りに少しの角度だけ回転す る。前記Ｂ組の素子は、移動する本体と接触し、前記Ａ組は縮小してまっすぐに なる。次に、前記サイクルはＢ組を曲げ、さらに進行する。 線形運動はまた、上記のようにする代わりに前記素子の組をある方向に曲げる ことによって遂行できる。前記能動素子の平面内で任意の運動がこのようにして 達成可能であることが容易に理解されよう。 上記の例では、前記素子は、一定の電圧パルスで駆動されるものと仮定したが 、通常は、実際には、素子はすべて正弦波電圧によって駆動されて、前記素子コ ンタクト点が前記基板を基準として楕円運動をすることになる。そのとき、２つ の組ＡおよびＢは、通常は約１８０度位相を異にして回転する。各素子に少なく とも２つの位相があり、図１に示す単純な配置は、１つの正弦波で電極Ｉおよび ＶＩを駆動し、別の正弦波で電極ＩＩＩおよびＩＶを駆動すべきである。これら は前記コンタクト点の 適切な楕円運動を実行させるためにその位相を約９０度だけずらされるべきであ る。非共振ステップ技法による運動を遂行させるために能動素子中の電極を配置 し、電圧を前記コンタクトに印加する方法はもちろん多く存在する。 実際のエレクトロニクスは従来の方法に従って構造化してもよく、本出願書中 ではこれ以上検討しない。 また、位相のずれた電圧を発生させる制御エレクトロニクスやさまざまなセン サー（例えば、力センサーや位置センサー）のフィードバックや通信用エレクト ロニクスを一体化モジュールに一体化するか、それに取り付けることが望ましい 。このようにして、特別に調整された電気機械アクチュエータモジュールを１つ の一体構造部として得ることができる。 本発明の１つの実施態様によるアクチュエータは、カテーテルタイプの医学用 器具として好都合に利用することができる。制御エレクトロニクスと通信エレク トロニクスを前記モジュール内に集積する（または搭載する）と仮定し、例えば 図２に示す配置は、以前の問題を解決することにになる。この配置は、本発明に よる複数のモジュールからなり、そのままのモジュール１は、通常は背面側３が 傾斜したくさび形状を有する。このくさび形状は前記モジュール自体であっても 、モジュールと分離したまたはモジュールに取り付けられた別のユニットでもよ い。また、弾性材料または弾性構造体（例えば、ス プリングタイプの幾何学的形状）をくさび形状ユニットの間またはくさび形状ユ ニットとして用いるのも便利である。 このような配置により複数のさまざまな運動モードが容易に得られる。前記モ ジュールを互いに対して回転させると、この配置全体が傾斜することになる。こ れは、モジュールの１つが回転運動をすると、上記のように配置された複数のモ ジュールが円形経路に沿って運搬され、回転するモジュールまでの距離に対する 円形経路の半径が前記くさびの角度に対応することを意味する。分かりやすい例 としては、回転するモジュールの上の配置が線形になっている場合である。この ような場合、この配置の上部部分は円錐の表面をたどることになる。 ２つのモジュールが一緒に作動することによって、傾斜無しの回転運動を起こ すことができる。これは、前記２つのくさびを反対方向に配置して、くさび角度 が互いに補償し合うようにすることによって得られる。このようにして、回転運 動は図２の配置中でさらに伝達されることになる。 このようなシステムのアセンブリのための１つの考えられる解決法は、前記く さびを含め前記モジュールを１つのベロー形状の管４の中に格納することである 。前記管は多くのモジュールの間に垂直力を生成する。同時に、前記管は保護用 エンベロープおよび電気的接続部としての役割をする。 モジュールはすべて直列の通信母線（例えば２本から４本の電線からなる）に 接続して、モジュール間の電気的接続部の数を減少させることができる。 別の洗練されたカテーテルのデザインは、図３に示すような球形のコンタクト 表面を持つモジュールを用いる。球形コンタクト表面５によって、なんら傾斜す ることなく、各モジュールを次のモジュールに対して回転させることが可能とな る。また、３軸式の能動素子を使用すれば、各モジュールを個別にいかなる方向 にも傾斜させることも可能である。これは、図１に関連して述べた線形運動に対 応する。前記カテーテルは図２の以前のデザインと比較してよりしなやかである 。しかしながら、前記くさび形状デザインははるかに製造しやすく、これが一部 の応用分野で有利となり得る。 例えば、液体を前記カテーテルの作動端を介して出し入れしようとする要望も ある。これは、図３に示すように、前記モジュールの中心に管６を配置すること によって達成される。ある距離だけ離れた２つの管狭窄部７を一緒に移動させる と、液体がぜん動的に移送される。狭窄部は管を回転させることによってまたは 前記モジュールを用いて引き伸ばすことによって作成できる。あるスキームに従 って個々のモジュールを移動させることによって、このような狭窄部を前記配置 に沿って移動させることができ、狭窄部双方を一緒に移動させると、その間に囲 まれた体積は前記配置の中心を通って移動されるこ とになる。 高性能の応用例の中には、例えば、高速高精度の装置の線形運動がある。この ようなデザインの１つを図４に示す。前記デザインは１つのステータ構造体８に 組み立てられた３つのモジュールからなる。前記ステータ構造体は、スプリング タイプの素子９によってローター１０に対して放射状の力を生成する形状を有す る。モジュール中の能動素子を図４に示すようような３軸運動をするように作る と、前記ローターの軸方向運動と回転運動を双方とも達成することができる。モ ジュールの拡大図から分かるように、前記４つの能動素子は２つの組に分けられ ている。これは、モータの２つの他のモジュールにも同様になされている。これ ら能動素子の２つの組は、図１の説明から類推される非共振ステップ原理による 運動に類似した把持用爪を形成する。各組の前記能動素子が作動中に接線方向に 曲げられると、結果として起こるローターの運動は回転となる。各組の能動素子 が作動中に軸方向に曲げられると、結果として起こるローターの運動は軸方向へ の移動となる。もちろん、モジュール中の能動素子を前記２つの純粋な運動の場 合の間の方向に曲げることによって、これら２つの運動モードを同時に合成する こともできる。 単純な回転モーターが、図１の構造体に類似した２つのスプリングを搭載した 構造体にローターを中心に配置して同じように構造化することが可能である。最 も単純 な場合、２つの一体化モジュールのコンタクト点を、締め付けスプリング構造体 によって平面状ローターディスクに押圧する。例えば、前記一体モジュールに穴 を開けると、前記ローターディスクに接続されたローターシャフトは前記モジュ ールに対してその中心で直交する。 前記モジュールによって移動されることになっている本体は実際には、摩擦力 によって移動される。このような力を発生させるためには、前記モジュールに対 するある種の垂直力が必要である。ステータとローターとの間、すなわちモジュ ールとモジュールに対して移動する本体との間に運動を発生させるに必要な垂直 力を達成させる方法は数多く存在する。重力、磁気、静電気、分子、原子、粘性 による力などあらゆるタイプの力が利用可能である。スプリングに蓄えられる弾 性力がもちろん、多くの応用分野に魅力的であるが、永久磁石を用いることが最 もコストパフォーマンスの良い方法の１つであろう。弾性スプリングとはこの場 合、移動する本体をモジュールに対して押圧するあらゆる機械的装置を意味する ものと解釈されたい。これらの「スプリング」は通常は、周囲を包囲する材料を 構成する。しかしながら、スプリングは取付のための作業を幾分か必要とし、こ れがこのような解決法のコストパフォーマンスを劣化させるかもしれない。 モジュール中の各能動素子の運動範囲はきわめて重要なパラメータである。製 造の精度および正確さと比較し て十分大きな運動範囲が必要である。図１に示す素子構造はあるモーターの寸法 にとっては十分かもしれないが、モーターをさらに小型化するには、ある種のス トローク拡大用メカニズムを用いる必要がある。 現在の技術水準による装置では、ある種のストローク拡大努力がなされている が、まったく不十分である。図５に略図を示すテコ装置構造体１１は、これらの 問題をすべて解決するものである。この構造体１１は、反対方向に方位付けされ た２つのアーチ１２がベースユニットとして配置されたアーチ形状の構造体から なる一体構造の本体である。前記アーチは一般的には、電極の層を持つ電気的に 活性な材料からなり、任意の電圧が印加されると、一方のアーチの曲率が増大し 、他方のアーチの曲率が減少するように互いに接続されている。このようにして 、本体全体が垂直方向に拡張し、水平力１４は補償される。水平力は、例えば、 前記曲率を変化させる水平方向の形状変化によって発生する。一方のアーチの曲 率が減少し、他方のアーチの曲率が増大するので、その結果生じる力は水平方向 に反対の符号を有し、したがって各ベースユニット内部で補償されることになる 。前記モジュール中に電極を適切に分配することによって、３軸運動が達成され る。例えば、各アーチ内の電極領域は、前記一体構造モジュール１内の能動素子 ２と同じように分割され、したがって力の伝達と変位のために用いられる中心部 は水平方向にも移動させることができる。前記 アーチ間の容積は空か適切な弾性材料で充填されているかのいずれかである。ゴ ムなどの弾性材料は、例えば、アクチュエータの性能を実質的に損なうことなく 、過負荷に対する保護として役立つ。 本発明によれば、一体構造モジュールの製造方法が開示される。前記方法にお いては、もちろん、前記一体構造モジュールを、内部空隙およびその類似物を含 め、その最終的な形状を直接的に形成しようとする要望がある。図６から９に、 これらの問題を解決するための、考えられる処理技法がいくつか述べられている 。図６では、幾何学的形状１９を持つローラー１８を用いて、これらの形状を電 気機械材料１５からなるテープ中に複製する。ローラーの代わりに幾分遅い抜き 打ちプロセスを用いてもよいが、この用法はツールの製造が安価であるという点 で有利である。複製プロセスによって製造された形状は、主に、未焼結状態、す なわち熱処理前に電極層および前記層間の接続層の輪郭を形成するために用いら れる。複製技法の他の用途は整合の補助手段として、及び、空隙の体積を規定す ることであり、これについては以下にさらに説明する。 実際の適用によっては、上述した複製に先立って、図７に示すようにテープが 電極層１６で覆われていてもよい。テープが一方または双方の側部を電極層１６ で覆われている場合、図７に示す圧延プロセスによって電極を直接にパターン化 することができる。前記電極層はテー プの可塑性変形によって分割され、図１から分かるように、別々の電極領域とな る。例えば、重合体テープの上部に圧電粒子で電極をパターン化することは通常 は、現在の技術水準による標準的なリソグラフィ技術では困難であり、したがっ て、本発明によるこの方法によりこの問題を洗練された方法で解決する。 前記層間の電気的接続もまた、前記テープを可塑的に変形して穴２０を形成す ることによってとることができる。図７では、前記穴２０の壁はまだ電極材料で 覆われており、電気的接続が２つの層の間に形成されている。こうする代わりに 、上述の方法で形成された穴を電気的に導電性のあるペーストで充填してもよい 。このようにして、モジュール内部の電気的接続は水平方向だけではなく、縦方 向にも形成できる。電気的接続の形成の別の方法は、可塑性変形と一緒に、図８ に示すように圧延、折り重ね、ねじりなどを組み合わせて所望の電気的接続を形 成するものである。電気機械材料からなるアクチュエータの製造において、時間 がかかり総体的に制限的な処理ステップの１つは、層間の電気的接続である。互 いに異なった２つの平行な層が折り目自体で接続される単純な折り重ね方式のあ る種の応用例ではこの問題は解決されるが、その理由は、前記層間の接続が必要 ないからである。電気活性材料の重合体テープを圧延してねじる方式は、穴を形 成することなく別々の層間に電気的接続を形成する別の方法である。 次の処理ステップは、本来周知の方法によって、これらの層を積層して熱処理 によって一体構造ユニットまたはモジュールを製造することである。したがって 、これらのステップは本開示ではこれ以上説明しない。 内部空隙の体積（または適切な材料）は、電気不活性材料の層を包含させるこ とによって作ることができる。このような層は、前記積層ステップ間だけでなく 前記複製ステップの前または後に導入してもよい。この複製によって、別々の形 状を持つ重合体の体積が作成される。例えば熱処理、特に従来の導入バーンアウ ト熱処理の間に、重合体材料は消滅する。このようにして空隙の体積は、パター ン化された重合体層を複製技法の助けにより導入することによって作成できる。 モジュールなどの能動素子の上部に存在するのが適当な外部摩擦層を、同じよ うに包含させることができる。前記能動素子の外側部分は、移動本体と物理的に 接触するモジュールの部分であるため、摩擦的効果にさらされる唯一のモジュー ル部分である。しかしながら、前記移動動作はある種の摩擦に依存するので、あ る程度のコンタクトが存在しなければならない。摩耗などに対する抵抗力を向上 させる１つの方法は、前記能動素子の最外側部分を外部摩擦層で覆うことである 。このような層もまた、最終的な電気機械層の上部に１つまたは複数の摩耗抵抗 材料層を追加することによって、本発明による製造方法で容易に導入される。次 に、前記摩擦層は、前記焼 結プロセスで前記モジュール中に集積される。 前記製造プロセスにおける１つの困難なステップは、熱処理に先だって積層さ れる別々の層を整合させることである。全体の精度はミクロンのオーダーである 必要があるので、それに相応する精度を整合プロセスで獲得する必要がある。積 層中の整合作業は、特定の整合用の形状２１，例えば穴のなかのペグも薄膜中で 複製されれば、非常に単純化することができる。図９から分かるように、幾何学 的構造体は整合手順において役に立つものである。図９では、連続して与えられ る３つの層に存在するある種の幾何学的エッジは２１Ａから２１Ｆで示されてい る。凸部エッジである２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｅは、下部層の凹部エッジ２１ Ｃ、２１Ｄおよび２１Ｆとそれぞれ対応している。このような層を互いの上に位 置付けすると、これらのエッジは一緒に適合し、層を正確に整合させるように案 内する。 本発明によるある好ましい実施態様を上記のように説明したが、本発明はそれ に限られるものではないことに注意されたい。本発明の精神に従った変更例およ び修正例が含まれ、また、本発明が添付クレームの範囲によってのみ定義される ことを了解されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ 【要約の続き】 製するステップを含む。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 電場の影響によってその形状を変化させ、これによって小さなステップの 非共振的繰り返しにより本体に対する運動が生成される電気機械材料を含むアク チュエータまたはモーターであって、前記アクチュエータまたはモーターは、前 記電気機械材料中に集積された電極を持つ少なくとも１つの一体構造モジュール を含み、前記一体構造モジュールは少なくとも１つの受動部分（１）および少な くとも１つの能動素子（２）を有し、これによって、前記少なくとも１つの能動 素子（２）の所に少なくとも２つの互いに独立したコンタクト点が前記本体に接 触して設けられ、さらに、前記コンタクト点は、前記一体構造モジュールの前記 受動部分（１）に対して少なくとも２つの独立した方向に互いに独立して位置付 け可能であり、これによって、前記一体構造モジュールが単独でまたは他のモジ ュールと組み合わされて、前記運動の生成のために用いられることを特徴とする アクチュエータまたはモーター。 ２． 前記コンタクト点が別々の能動素子（２）に位置することを特徴とする請 求の範囲第１項記載のアクチュエータまたはモーター。 ３． 前記コンタクト点が、３つの独立した方向に、前記一体構造モジュールの 前記受動部分（１）に対して互いに独立に位置付け可能であることを特徴とする 請求の範囲第１項記載のアクチュエータまたはモーター。 ４． 前記一体構造モジュールの前記コンタクト点が、前記一体構造モジュール または取り付けられたユニットの基部平面に対して傾斜した平面上に置かれるこ とを特徴とする請求の範囲第１項記載のアクチュエータまたはモーター。 ５． 前記本体がくさび形状を有することを特徴とする請求の範囲第４項記載の アクチュエータまたはモーター。 ６． 前記本体が弾性材料を含むことを特徴とする請求の範囲第５項記載のアク チュエータまたはモーター。 ７． 前記本体が弾性構造体であることを特徴とする請求の範囲第５項記載のア クチュエータまたはモーター。 ８． 前記一体構造モジュールが球形コンタクトの形状を有することを特徴とす る請求の範囲第１項記載のアクチュエータまたはモーター。 ９． ベロー形状の管を用いて、前記一体構造モジュール同士間に垂直力を生成 させることを特徴とする請求の範囲第４項から第８項のいずれかに記載のアクチ ュエータまたはモーター。 １０． 前記一体構造モジュールが前記本体に対して押圧されることを特徴とす る請求の範囲第１項記載のアクチュエータまたはモーター。 １１． 前記一体構造モジュールが、重力、静電力、分子力、原子力または粘性 力によって前記本体に押圧されることを特徴とする請求の範囲第１０項記載のア クチュエータまたはモーター。 １２． 前記一体構造モジュールが磁力によって前記本体に押圧されることを 特徴とする請求の範囲第１０項記載のアクチュエータまたはモーター。 １３． 前記一体構造モジュールが弾性スプリング力によって前記本体に押圧さ れることを特徴とする請求の範囲第１０項記載のアクチュエータまたはモーター 。 １４． 請求の範囲第１項記載の一体構造モジュールを複数個含むことを特徴と するアクチュエータシステム。 １５． ベロー形状の管（４）を用いて、前記一体構造同士間に垂直力を生成す ることを特徴とする請求の範囲第１４項記載のアクチュエータシステム。 １６． 中心管（６）を用いて、液体または類似物を移送することを特徴とする 請求の範囲第１４項記載のアクチュエータシステム。 １７． 前記モジュールに搭載されている能動素子を、前記本体（１０）を少な くとも２軸運動させるために用いることを特徴とする請求の範囲第１項記載の一 体構造モジュールを少なくとも２つ含むアクチュエータシステム。 １８． ３次元の空洞が前記一体構造モジュールの中に集積され、これによって 内部テコ装置を作成し、前記空洞が空または適当な材料で充填されていることを 特徴とする請求の範囲第１項記載のアクチュエータまたはモーター。 １９． 前記一体構造モジュールのベースユニットが、 ２次元または３次元で曲折している構造体（１２）からなることを特徴とする請 求の範囲第１８項記載のアクチュエータまたはモーター。 ２０． 前記内部テコ装置は、少なくとも２つの端部で固定されたアーチ形状構 造体（１２）にその基礎が置かれ、これによって、力および変位の伝達が前記ア ーチ形状構造体（１２）の実質的に中心部分に位置付けされることを特徴とする 請求の範囲第１８項記載のアクチュエータまたはモーター。 ２１． 前記内部テコ装置が曲折した薄膜または平面状の構造体を用いることに より得られることを特徴とする請求の範囲第１９項記載のアクチュエータまたは モーター。 ２２． 前記空洞がゴムのような材料によって充填されることを特徴とする請求 の範囲第１８項記載のアクチュエータまたはモーター。 ２３． 前記一体構造モジュールはまた、位相のずれた電圧を発生させる制御エ レクトロニクスおよびセンサーのさまざまなフィードバックおよび通信のエレク トロニクスを含み、前記センサーが、例えば力および位置を測定することを特徴 とする先行する請求の範囲内のいずれかに記載のアクチュエータまたはモーター 。 ２４． 電場に影響されてその形状を変化させる電気機械材料を含むアクチュエ ータまたはモーターを駆動する方法であって、前記方法が小さなステップを繰り 返すこ とによって前記アクチュエータまたはモーターを移動させるステップを含み、前 記移動ステップがさらに、少なくとも１つの一体構造モジュールを単独でまたは 他の一体構造モジュールと組み合わせて駆動するステップを含み、前記一体構造 モジュールが、前記電気機械材料中に集積された電極を有し、前記一体構造モジ ュールの受動部分に対して少なくとも２つの独立した方向に互いに独立して位置 付け可能な少なくとも２つの独立したコンタクト点を有することを特徴とする方 法。 ２５． 少なくとも１つの一体構造モジュールを駆動する前記ステップによって 、回転運動が傾斜運動に変換されることを特徴とする請求の範囲第２４項記載の アクチュエータまたはモーターを駆動する方法。 ２６． 少なくとも２つの一体構造モジュールを移動させる前記ステップが、中 心管中の液体を移送させるステップをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第 ２４項記載のアクチュエータまたはモーターを駆動する方法。 ２７． 前記移送ステップが、前記一体構造モジュールによって調節される狭窄 部（７）の移動によるぜん動運動によって達成されることを特徴とする請求の範 囲第２６項記載のアクチュエータまたはモーターを駆動する方法。 ２８． 電場の影響によってその形状を変化させる電気機械材料を含むアクチュ エータまたはモーターを製造する方法であって、前記方法が、前記電気機械材料 中に複 雑な電極配置を生成するステップを含み、幾何学的形状を前記電気機械材料の未 焼結のボディ中に複製するステップを含むことを特徴とする方法。 ２９． 前記複製ステップに先立って前記電気機械材料を電極層でコーティング するステップを含むことを特徴とする請求の範囲第２８項記載の製造方法。 ３０． 幾何学的形状を前記未焼結のボディ中に複製するステップを含み、前記 幾何学的形状が１つの未焼結のボディを別のボディと整合させるために使用され ることを特徴とする請求の範囲第２８項記載の製造方法。 ３１． 前記複製ステップの結果、層間の電極接続のために前記未焼結のボディ に穴が形成されることを特徴とする請求の範囲第２８項記載の製造方法。 ３２． 電極層を可塑性変形プロセスによって接続するステップを含むことを特 徴とする請求の範囲第２８項記載の製造方法。 ３３． 前記複製ステップが、電気不活性材料で層を形成するステップを含むこ とを特徴とする請求の範囲第２８項記載の製造方法。 ３４． 外部摩擦層を形成するステップを含むことを特徴とする請求の範囲第２ ８項記載の製造方法。 ３５． 前記複製ステップが空隙の体積を形成するステップを含むことを特徴と する請求の範囲第２８項記載の製造方法。