JP2008544315A - 超音波リードスクリューモータを含む機構 - Google Patents

Abstract

ねじ付きシャフトアセンブリを駆動するための装置に可動的に取り付けられた光学素子を含む光学アセンブリ。装置は、回転軸を有するねじ付きシャフトおよびそれと係合したねじ付きナットを含む。アセンブリは、ねじ付きナットを超音波振動に供し、それによって該シャフトを回転させると同時に軸方向に平行移動させるための素子を含む。

Description

技術分野
ねじ付きシャフトおよびそれと係合したナットを含む小型超音波リニアモータアセンブリを含む撮像素子およびシリンジポンプ素子。

関連特許出願の相互参照
本出願は、2004年9月13日に出願された本出願人の同時係属出願である米国特許出願第10/918,041号（そしてこれは2003年9月8日に出願された米国特許出願第10/657,325号の一部継続出願である）の一部継続出願である。前述の特許出願の各内容は、参照により本明細書に組み入れられる。

背景技術
圧電・電歪、静電または電磁技術を使用する変換器は、ナノメートルスケールでの精密な位置決めに非常に有用である。圧電素子の場合、セラミックスがコンデンサに形成され、このコンデンサが、充電され、放電するとき、形を変えて力変換器または位置アクチュエータを形成する。位置アクチュエータとして使用される場合、圧電セラミックスの形状変化は概ね印加電圧に比例する。圧電アクチュエータは、数十マイクロメートルの一般的なストローク長に相当する、セラミックスの長さの約0.1％までの範囲に限定される。高剛性およびナノメートル精度の圧電アクチュエータは非常に有用であるが、多くの用途にはより大きなストロークが求められる。

小さなセラミックス形状変化を「修正」し、より長いストロークを生み出すために、数多くの圧電モータ設計が開発されている。

PZTステッピングモータが米国特許第3,902,084号（特許文献1）に記載されている。この米国特許の開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。このモータは、掴み・伸び・掴み・縮みの作動シーケンスを使用して多くの短いPZTアクチュエータサイクルを統合する。このステッピングリニアアクチュエータは、DCから数キロヘルツまでの振動数で作動し、それが大きな騒音および振動を生じさせる。電源オフ時には位置は維持されない。1ナノメートルよりも優れた分解能が200ミリメートルの動程で達成される。

PZT慣性スティックスリップモータが米国特許第5,410,206号（特許文献2）に記載されている。この米国特許の開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。このモータは、シャフトをその両側で把持する「ジョー("jaws")」を形成する割りナットを使用して、細目ねじ付きシャフトを回転させる。PZTアクチュエータは、非対称交流駆動信号によってジョーを両方向に高速で動かす。高速ジョー運動が掴み摩擦に打ち勝ち、滑りを作り出す。より低速のジョー運動はシャフトを滑らせず、回転させない。このスティックスリップモータは、上記ステッピングモータと同様な騒音および振動を引き起こすが、100倍の低速さで動き、電源がオフにされたときでも位置を保持する。50ナノメートルよりも優れた分解能が25ミリメートルの動程で達成される。

超音波モータは、圧電発生振動を使用して高速、高トルク、小型かつ静穏な作動の連続運動を作り出す。

もっとも初期の超音波圧電モータの一つが米国特許第3,176,167号（特許文献3）に記載されている。この米国特許の開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。この一方向回転モータは、クロック機構を駆動する目的で、水晶発振子を使用して細いロッドを動かし、ラチェットホイールを駆動する。定在波超音波モータの一例が米国特許第5,453,653号（特許文献4）に記載されている。この米国特許の開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。このモータは、長方形のPZTプレートを使用して、移動面に対してプレロードされる接触点の超音波揺動を発生させる。PZTプレート上の電極パターンが交流信号に接続され、合わせ面に対する正味の力を発生させるのに必要な振幅および位相で接触端の二次元揺動を発生させる。この超音波モータは静穏であり、ステッピングモータの100倍の高速さでありながらも約1/3の力を生じさせる。一般に、超音波モータは停止および始動が困難であり、それが精度を制限する。マイクロメートル未満の分解能を達成するためには、閉ループ制御のエンコーダが一般に必要である。

超音波振動を使用してねじ付きロッドを駆動するための装置がたとえばKatsuyuki Fujimuraの米国特許第6,147,435号（特許文献5）に記載されている。この特許の開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。この特許は、以下のように開示し、特許請求している。「超音波振動によってスクリューロッドを駆動するための機構であって、それ自体の軸方向に沿ってらせん状に形成された溝部を備えたスクリューロッドと、該スクリューロッドの両端を回転自在に保持する1対のスタンドと、該スクリューロッドを部分的に包囲し、該スクリューロッドの軸方向に摺動自在のワークラックと、該ワークラックの片側に固着され、該ワークラックから該スクリューロッドまで延びる少なくとも一つの第一のスクリューロッド回転装置であって、該スクリューロッドの該溝部と第一の指定角度で接触する第一の振動子、該第一の振動子を該スクリューロッドの該溝部に向けて指定の圧力で付勢する第一のばねおよび電気的に活性化されると該第一の振動子を振動させて該スクリューロッドを第一の回転方向に回転させるための第一の圧電アクチュエータを含む、少なくとも一つの第一のスクリューロッド回転装置と、該ワークラックのもう一方の側に固着され、該ワークラックから該スクリューロッドまで延びる少なくとも一つの第二のスクリューロッド回転装置であって、該スクリューロッドの該溝部と該第一の指定角度とは反対の第二の指定角度で接触する第二の振動子、該第二の振動子を該スクリューロッドの該溝部に向けて指定の圧力で付勢する第二のばねおよび電気的に活性化されると該第二の振動子を振動させて該スクリューロッドを第二の回転方向に回転させるための第二の圧電アクチュエータを含む、少なくとも一つの第二のスクリューロッド回転装置とを含む、機構」。

米国特許第6,147,435号（特許文献5）の装置は、「第一のスクリューロッド回転装置」および「第二のスクリューロッド回転装置」を要する。これらは、図3で、たとえば要素16a'および16d'（そのような第一のスクリューロッド回転装置を含む）ならびに要素16b'および16c'（そのような第二のスクリューロッド回転装置を含む）として示されている。さらに米国特許第6,147,435号（特許文献5）を参照すると、要素16a'および16d'が超音波振動によって活性化されると、スクリューロッド2は一つの方向に回転させられ、要素16b'および16c'が超音波振動によって活性化されると、スクリューロッド2は反対方向に回転させられる。

要素16a'/16d'および16b'/16c'は同時に活性化されることは決してない。同時に活性化されるならば、エネルギーを浪費するうえ、スクリューロッド2を静止したままにするであろう。

しかし、そのような要素16a'/16d'および16b'/16c'が同時に活性化されない場合でも、エネルギーの浪費はある。非活性化対の要素もなおスクリューロッド2のねじと接触しており、それにより、摩擦抵抗を起こさせるからである。

この摩擦抵抗が米国特許第6,147,435号（特許文献5）の装置の問題点である。この特許の請求項2に記載されているように、この特許の装置によってこの問題をいくらか解消するため、「該第一および第二の圧電アクチュエータの一方が電気的に活性化されているとき、非常に小さな量の電流が該第一および第二の圧電アクチュエータの他方に供給される」。米国特許第6,147,435号（特許文献5）の装置の効率はそれほど高くはない。

本発明の目的は、米国特許第6,147,435号（特許文献5）の効率よりも実質的に高い効率を有しながらも同様なサイズの他の超音波モータによって一般に達成されるよりも高い精度、力および速度を提供する、超音波振動によってねじ付きシャフトを駆動するための機構を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、ねじ付きシャフトを駆動するための前述の機構を含む撮像素子およびシリンジポンプ素子を提供することである。

米国特許第3,902,084号 米国特許第5,410,206号 米国特許第3,176,167号 米国特許第5,453,653号 米国特許第6,147,435号

発明の開示
本発明にしたがって、ねじ付きシャフトアセンブリを駆動するための装置に接続された光学要素を含む光学アセンブリであって、ねじ付きシャフトアセンブリを駆動するための該装置が、ねじ付きシャフトおよびそれと係合したナットを含む、光学アセンブリが提供される。アセンブリは、該ナットを超音波振動に供し、それによって該シャフトを回転させると同時に軸方向に平行移動させるための手段を含む。アセンブリはまた、該シャフトに軸力を加えるための手段を含む。

本発明にしたがって、ねじ付きシャフトおよびそれと係合したナットを含むねじ付きシャフトアセンブリに接続されたシリンジのプランジャーを有するシリンジを含む、液体ポンプアセンブリがまた提供される。アセンブリは、該ナットを超音波振動に供し、それによって該シャフトを回転させ、該プランジャーを軸方向に平行移動させるための手段を含む。

本発明はまた、モータシャフトおよびナットのねじをともにロックすることなく回転を停止する接線接触を用いて、所望の点でねじ付きモータシャフトの運動を停止する機械的運動停止機構を提供する。

発明を実施するための最良の形態
本明細書の最初の部分では、本出願人は、小型超音波リニアモータを記載する。本明細書の第二の部分では、本出願人は、そのようなモータに接続された光学素子を含む光学アセンブリを記載する。

本発明の一つの態様では、小型超音波リニアモータがリードスクリューを回転させて直線運動を生じさせる。円筒が、超音波範囲の第一の曲げモード共振振動数でねじ付きナットを支持する。円筒およびナットは、円筒の端部でナットを周回させる変換器により、この共振振動数で励起される。変換器は、圧電変換器、電歪変換器、静電変換器、電磁変換器または共振振動を刺激することができる他の装置であることができる。円筒の直交曲げモードをプラスまたはマイナス90°の位相ずれで励起すると同時に円軌道を作り出すためには、少なくとも2個の変換器が必要である。締り嵌めねじ付きシャフトがナット内に設置される。弾性の軸方向荷重が低摩擦継手を介してシャフトに加えられる。ナットはその共振振動数で周回し、シャフトの慣性がそれをセンタリング状態に維持する。ナットの軌道が、シャフトを回転させ、直線運動を作り出すトルクを発生させる。少なくとも二つの交流駆動信号が変換器に必要である。駆動振動数は、機械的振動数を励起し、位相を制御してナットの円軌道を達成しなければならない。駆動信号振幅の変調および周期が速度を制御する。駆動信号間の位相ずれはプラスでもマイナスでもよく、それがナット軌道およびシャフト回転／平行移動の方向を逆転させる。この態様および他の好ましい態様を本明細書の残り部分でさらに詳細に説明する。

特定の理論に拘束されることを望まないが、本出願人は、出願人の超音波リニアアクチュエータの一つの作動原理が、円筒管の一端または両端を回転させることなく円筒軸を中心に周回させる円筒管の第一の曲げ共振の励起であると考える。この態様では、管の一端が、同じく嵌合するねじ付きシャフトを中心に周回し、周回するとき摩擦を介して接線力を付与してねじ付きシャフトを回転させるねじ付きナットを収容する。ねじ中の摩擦は、それがねじを直接駆動するため、有用である。これは、ねじ接触摩擦が寄生的であり、ワインドアップ、バックラッシュおよび遅い応答を作り出す従来のリードスクリュー駆動とは非常に対照的である。本態様で使用されるらせんねじのもう一つの有意な利点は、大きな機械的利点のある、回転から平行移動への直接的な変換であり、これが、軸力を拡大し、線速度を落とし、その結果、精度を高める。

この態様では、変換器は、荷重経路の内外いずれでも、好ましくは、第一の曲げモードを励起するために使用される。使用することができる変換器の例は、たとえばいくつか挙げるならば、圧電要素およびスタック、磁気歪材料および静電材料である。このリストはすべての変換器材料を包含するわけではなく、円筒管または同様な形状のブロックの第一の曲げ共振を励起し、一方または両方の管端部の軌道を達成するために使用することができる任意の材料または機構が、この特許で具現化されるということが理解されるべきである。本明細書に記載する態様は圧電材料を使用するが、上記の代替変換器材料を用いても同じく容易に具現化することができる。

図1〜6を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、超音波リニアモータ10が示されている。図示する態様では、4枚の長方形の圧電プレートを使用して超音波振動を発生させる。図1には示さないもう一つの態様では、他の手段を使用して超音波振動を発生させてもよい。

本明細書で使用する「超音波」とは、20,000ヘルツを超える動作振動数をいう。一つの態様では、動作振動数は少なくとも約25,000ヘルツである。もう一つの態様では、動作振動数は少なくとも約50,000ヘルツである。さらに別の態様では、動作振動数は少なくとも約100,000ヘルツである。

本明細書で使用する「リニアモータ」とは、力および／または変位を発生させることによって実質的に直線の運動を生じさせるアクチュエータをいう。たとえば、米国特許第5,982,075号（超音波リニアモータ）、第5,134,334号（超音波リニアモータ）、第5,036,245号（超音波リニアモータ）、第4,857,791号（リニアモータ）などを参照することができる。これらの米国特許それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。

再び図1〜6を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、球状のボールチップ26を有するねじ付きシャフト12が回転し、軸方向の力および動きを生じさせることが見てとれる。

ねじ付きシャフト12は、好ましくは、ハウジング14内に可動的に配置される。ねじ付きシャフト12の長さ15（図5を参照）は、好ましくは、ハウジング14の長さ13を少なくとも約10ミリメートル超える長さである。一つの態様では、長さ15は、長さ13を少なくとも25ミリメートル超える長さである。もう一つの態様では、長さ15は、長さ13を少なくとも50ミリメートル超える長さである。

一つの態様で、ねじ付きシャフト12は、ハウジング14の第一の固有振動数の約0.2倍未満の大きさである第一の固有振動数を有する。もう一つの態様では、ねじ付きシャフト12の第一の固有振動数は、ハウジング14の第一の固有振動数の約0.1倍未満の大きさである。

本明細書で使用する「第一の固有振動数」とは、第一の正規モード振動の振動数をいう。たとえば、McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, Fourth Edition（McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1989の1253ページを参照すること。また、Eugene A. Avalloneらの「Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers」（McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1978）の5-59〜5-70ページ（「Natural Frequencies of Simple Systems）を参照してもよい。同じく、米国特許第6,125,701号、第6,591,608号、第6,525,456号、第6,439,282号、第6,170,202号、第6,101,840号などを参照してもよい。これらの米国特許それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。

図示する態様では、ナット16の軌道運動は、図18でわかりやすく示すように、軸中心線（図2を参照）に対して平行な面で互いに対して直交方向に作用する二つの正規モード振動の存在によって作り出される。これらの二つの直交正規モード振動は、活性化された変換器（たとえばプレート18、20、22および24）とハウジング14との相互作用によって提供され、そのような相互作用が、ナット16の軌道運動を引き起こし、それが他方でねじ付きシャフト12の回転および平行移動を引き起こす。

一つの態様で、ナット16の第一の固有共振振動数は、好ましくは、モータアセンブリ10の動作振動数の少なくとも5倍の大きさである。したがって、ナット16は実質的に剛体であることが好ましい。

一つの態様で、ねじ付きシャフト12は、実質的にステンレス鋼である金属から製造される。この態様では、ねじ付きシャフト12は、実質的に黄銅である金属から製造されるねじ付きナット16と係合する。

明らかであるように、ねじ付きシャフト12およびねじ付きナット16には、摩耗およびかじりが最小限になるような材料の組み合わせを使用することが好ましい。そのような摩耗およびかじりを同じく最小限にする他の材料の組み合わせを本発明で使用してもよい。

再び図1を参照すると、ねじ付きシャフト12が、好ましくはらせん溝の形態にある多数のねじ17を含むことが見てとれる。一つの態様では、ねじ17は、1インチあたり約250本未満、好ましくは1インチあたり約200本未満のピッチを有する。もう一つの態様では、ねじ17は1インチあたり約100本未満のピッチを有する。この態様の一つの局面では、ねじ17は1インチあたり約40〜約80本のピッチを有する。

ねじ17は、好ましくは、図18（図36をも参照）でわかりやすく示すように、ナット16の雌ねじ19と係合する。一つの好ましい態様では、雌ねじ19のピッチは、雄ねじ17のピッチと実質的に等しい。

説明しやすくするため、ねじ17および19は、完全に係合した状態で示すが（図5A、5B、18および36を除く）、好ましくは、ねじ17とねじ19との間には、ねじ17および／またはねじ19のねじ山高さ33/35の約0.5倍未満の直径方向の隙間がある。この直径方向の隙間は図5Aでわかりやすく示されている。この直径方向隙間を測定するための手段は周知である。たとえば、米国特許第6,145,805号、第5,211,101号、第4,781,053号、第4,277,948号、第6,257,845号、第6,142,749号などを参照することができる。これらの米国特許それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。同じく、前述の「Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers」の8〜9ページ以降（「Machine Elements」）を参照してもよい。

図5Aを参照すると、ねじ17と19との間の一つの好ましい係合形態が示されている。この図から見てとれるように、各ねじ17は先端29を有し、各ねじ19は先端31を有する。さらには、各ねじ17および19はねじ山高さ33および35をそれぞれ有する。

再び図1を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、ねじ付きシャフト12の回転が、振動ハウジング14に接続されたねじ付きナット16の超音波軌道によって生じることが見てとれる。図示する態様では、ねじ付きナット16は、好ましくは、ハウジング14に接続されている。これは図2でわかりやすく示されている。

図2を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、ナット16がオリフィス11の中に配置されることが見てとれる。ナット16は、通常の手段、たとえばプレス嵌めおよび／または接着手段などによってオリフィス11の中に固着される。

図1および2に示す好ましい態様では、ナット16は円筒形ナットである。図示しないもう一つの態様では、ナット16は、正方形、六角形、八角形などを有することができる多角形ナットである。

再び図1および2を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、多数のセラミックスプレート18等がハウジング14の外面37に取り付けられていることが見てとれる。

セラミックスプレート18等は、電圧、特に電圧の変化を受けたときそれぞれの長さを変化させることが好ましい。本明細書で使用し、本明細書の他の部分でも記載される、これらのセラミックスプレートは、「活性セラミックスプレート」と記すこともできる。一つの態様で、活性セラミックスプレート18等は、圧電プレート、電歪プレートおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される。説明しやすくするため、少なくとも図1および2の態様は、圧電プレートを参照しながら説明する。

図2に示す態様では、4枚の圧電プレート18、20、22および24がハウジングの外面37に接合され、各圧電プレート上の電極21および23（図4を参照）への交流電気駆動信号によって励起されると、ナット16の軌道振動を発生させる。

一つの態様では、そのような圧電プレートの2枚だけ、すなわちプレート18および20だけが使用される。もう一つの態様では、8枚以上の圧電プレートが使用される。使用される圧電プレートの枚数にかかわらず、直交面39および41（図2を参照）での動きを励起するのに十分な数のプレートが使用される。

説明しやすくするため、4枚の圧電プレート18、20、22および24を論じる。これらのプレートは、好ましくは、ハウジング14の対応する外面37に対し、そのような外面37と完全に接触するように接合される。

圧電プレート18等は、図4にわかりやすく示すように、電極21および23によって電圧源に接続されている。明らかであるように、説明しやすくするため、電極21および23の接続は、圧電プレート20に対するもののみを示すが、他の圧電プレートに関しても同等な接続が設けられるということが理解されよう。

図4およびその中で示されている好ましい態様を参照すると、4個の内側電極23すべてがアース25に接続されていることが見てとれる。この態様では、圧電材料は、低い誘電損および高い減分極（depoling）電圧を有する一般に利用可能な「硬い」組成物である。したがって、たとえば、Bedsford OhioのMorgan Matroc companyによって「PZT-4」として販売されている圧電材料を使用することができる。この好ましい材料は一般にいくつかの重要な性質を有する。

したがって、好ましい材料は、好ましくは、約20,000ヘルツを超える振動数で約1％未満、好ましくは約0.5％未満の誘電損率を有する。一つの態様では、誘電損率は、約20,000ヘルツを超える振動数で約0.4％である。

したがって、好ましい材料は、少なくとも約250ピコクーロン／ニュートン、好ましくは少なくとも約270ピコクーロン／ニュートンのd33圧電電荷係数（piezoelectric charge coefficient）を有する。一つの態様で、好ましい材料は約285ピコクーロン／ニュートンのd33圧電電荷係数を有する。

したがって、好ましい材料は、少なくとも約-90ピコクーロン／ニュートン、より好ましくは少なくとも約-105ピコクーロン／ニュートンのd31圧電電荷係数を有する。一つの態様で、d31圧電電荷係数は約-115ピコクーロン／ニュートンである。

一つの態様で、好ましい材料は、少なくとも約2500ピコクーロン／ニュートンのd33圧電電荷係数および少なくとも約900ピコクーロン／ニュートンのd31圧電電荷係数を有する単結晶材料である。

適当な材料の説明のため、また、限定ではなく例示のために、たとえば米国特許第3,736,532号および第3,582,540号を参照することができる。これらの米国特許それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。

さらなる例示として、当業者には公知であるように、低誘電損圧電材料が当業者に公知である。たとえば、米国特許第5,792,379号（低損失PZTセラミックス組成物）を参照することができる。この米国特許の開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。

一つの態様で、圧電材料は単結晶圧電材料である。これらの材料は当技術分野で公知である。たとえば、米国特許第5,446,330号、第5,739,624号、第5,814,917号、第5,763,983号（単結晶圧電変圧器）、第5,739,626号、第5,127,982号などを参照することができる。これらの米国特許それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。

再び図4を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、圧電プレート18、20、22および24の軸方向長さは、印加電圧（Vx/86およびVy/88）およびd₃₁圧電電荷係数に比例して変化する。

明らかであるように、圧電プレート18、22および20、24は、それぞれ対になって協働してハウジング14（たとえば図1および2を参照）を曲げ、軌道共振を励起する。交流電気駆動信号86および88が、好ましくは、それぞれプレート20、24および18、22に対し、ポーリング方向(poling direction)43で印加される。当業者には周知であるように、ポーリング方向43とは、製造中に圧電材料中の双極子が整列する方向である。たとえば、米国特許第5,605,659号（セラミックス圧電プレートをポーリングする方法）、第5,663,606号（圧電アクチュエータをポーリングするための装置）、第5,045,747号（圧電セラミックスをポーリングするための装置）などを参照することができる。これらの米国特許それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。

各プレート対18、22および20、24に関して、電場は、1枚のプレートのポーリング方向43に関してはプラスであり、反対側のプレートのポーリング方向43に関してはマイナスである。駆動信号Vx86が好ましくはプレート20、24に印加され、1枚のプレートにおける伸びおよび反対側のプレートにおける縮みを同時に生じさせ、それにより、ハウジング14を面39（図2を参照）およびX方向72a/72b（図18を参照）に曲げる。同様なやり方で、駆動信号Vy88がプレート18、22に印加され、ハウジング14を面41（図2を参照）およびY方向74a/74b（図18を参照）に曲げる。

ねじ付きナット16とは反対側のハウジング端45は、好ましくは、ガイドブッシュ28を、ブッシュ内径とねじ付きシャフト12（図2を参照）の外径との間に小さな隙間を設けながら支持する。ねじ付きシャフト12は、低い摩擦を生じさせる硬質の平坦面を使用する球状ボールチップ26を介して加えられる弾性の軸力27（図5および6を参照）を支持する。

モータ10の作動中、好ましくはボール26を介して伝達される軸力27は、約0.1〜約100ニュートンであることが好ましい。明らかであるように、軸力27は、好ましくは、出力される駆動力と類似の大きさである。球状ボール26（図2を参照）は、ねじ付きシャフト12をその荷重27（図5を参照）に低摩擦トルクで結合する一つの手段である。当業者には自明であるように、動きを回転するねじ付きシャフトから動く荷重に結合するための他の手段を使用することもできる。したがって、たとえば、ころ軸受けを使用することもできるし、ねじ付きシャフト12の平坦面と接触する円弧状の荷重を使用することもできる。たとえば、米国特許第5,769,554号（キネマチック結合法）、第6,325,351号（精密計器のための高減衰キネマチック結合）などを参照することができる。これらの米国特許それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。

図1および2を参照すると、ハウジング14の、ねじ付きナット16とは反対側の端部45は、固定カバー58（図21）のための接続点であるフランジを組み込んでいる。シャフト12およびナット16上のねじピッチが、軌道の接線方向の力および動きを軸方向の力および動きに変換する。ピッチは、力の倍率、減速、分解能増強および電源オフ時保持力を最適化するように選択することができる。

図7〜12を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、超音波リニアモータ30は、好ましくは、4個の圧電スタック36、40および42（図7および8をも参照）を使用して超音波振動を発生させる。球状のボールチップ26を有するねじ付きシャフト12が回転し、軸方向の力および動きを生じさせる。回転は、振動する円筒32に接続されたねじ付きナット16の超音波軌道によって生じる。4個の圧電スタック36、38、40および42は、円筒の、ねじ付きナットとは反対側の端部に接合され、ベースリング34に接合されている。4個のスタック36等は、周知のアセンブリおよび電気相互接続法44を使用して、内側スタックリードが好ましくは共通のアース35にいっしょに接続されるように構築されている。スタック36等の軸方向長さは、印加電圧およびd₃₃圧電電荷係数に比例して変化する。圧電材料は、低い誘電損および高い減分極電圧を有する一般に利用可能な「硬い」組成物である。交流電気駆動信号86および88が各圧電スタック44の外側リードに接続され、ナットの軌道振動を励起する。圧電スタック36および40ならびに38および42は、それぞれ対になって協働して管を回転させ、軌道共振を励起する。交流電気駆動信号Vx86およびVy88は、それぞれスタック38、42および36、40に対し、ポーリング方向43で印加される。各スタック対38、42および36、40に関して、電場は、1個のスタックのポーリング方向43に関してはプラスであり、反対側のスタックのポーリング方向に関してはマイナスである。駆動信号Vx86がスタック38、42に印加され、1個のスタックにおける伸びおよび反対側のスタックにおける縮みを同時に生じさせ、それにより、管をX方向72a/72b（図18を参照）に回転させる。同様なやり方で、駆動信号Vy88がスタック36、40に印加され、管の端部をY方向74a/74b（図18を参照）に動かす。ねじ付きナット16とは反対側のベースリング34は、ガイドブッシュ28を、ブッシュ内径とねじ付きシャフトの外径との間に小さな隙間を設けながら支持する。ねじ付きシャフト12は、低い摩擦を生じさせる硬質の平坦面を使用する球状ボールチップ26を介して加えられる順応性の軸力27を支持する。ベースリング34は、固定カバー58（図21）のための接続点である。シャフト12およびナット16上のねじピッチが軌道の接線方向の力および動きを軸方向の力および動きに変換する。ピッチは、力の倍率、減速、分解能増強および電源オフ時保持力を最適化するように選択することができる。

図13〜17を参照すると、超音波リニアモータ50は、象限(quadrant)電極を備えた圧電管54を使用して超音波振動を発生させる。球状のボールチップ26を有するねじ付きシャフト12が回転し、軸方向の力および動きを生じさせる。回転は、振動する圧電管54に接続されたねじ付きナット16の超音波軌道によって生じる。管の内径は、63で接地されている連続電極61であり、管の外径は、4個の別個の電極60、62、64および66に分割されている。圧電材料は、低い誘電損および高い減分極電圧を有する一般に利用可能な「硬い」組成物である。圧電管のうち、各電極60、62、64および66の下の部分の軸方向長さは、印加電圧およびd₃₁圧電電荷係数に比例して変化する。圧電区分60、64および62、66は、それぞれ対になって協働して管54を曲げ、軌道共振を励起する。交流電気駆動信号86および88が、それぞれプレート60、64および62、66に対し、ポーリング方向43で印加される。各電極対60、64および62、66に関して、電場は、1個の電極のポーリング方向に関してはプラスであり、反対側の電極のポーリング方向に関してはマイナスである。駆動信号Vx86が電極60、64に印加され、1個の電極の下での伸びおよび反対側の電極の下での縮みを同時に生じさせ、それにより、管をX方向72a/72b（図18を参照）に曲げる。同様なやり方で、駆動信号Vy88がプレート62、66に印加され、管をY方向74a/74b（図18を参照）に曲げる。

ねじ付きナット16とは反対側の管端部は、ベースフランジ52に接合され、ガイドブッシュ28を、ブッシュ内径とねじ付きシャフトの外径との間に小さな隙間を設けながら保持する。ねじ付きシャフト12は、低い摩擦を生じさせる硬質の平坦面を使用する球状ボールチップ26を介して加えられる順応性の軸力27を支持する。ベースフランジは、固定カバー58（図21）のための接続点である。シャフト12およびナット16上のねじピッチが軌道の接線方向の力および動きを軸方向の力および動きに変換する。ピッチは、力の倍率、減速、分解能増強および電源オフ時保持力を最適化するように選択することができる。

図18および19を参照すると、モータ10（図1を参照）の作動ならびにそのような作動を起こさせるために使用される対応する駆動信号86および88が示されている（図36をも参照）。圧電プレート対は、一方が伸長70すると同時に他方が収縮69しながら協働してハウジングを曲げる。交流駆動信号Vx86およびVy88は、好ましくは、同等な振幅90/91および90°の位相ずれ92を有して円軌道を生じさせる正弦波信号である。プラスの位相ずれ92がプラスのナット16の軌道方向およびプラスのシャフト12の回転96／平行移動98を生じさせ、マイナスの位相ずれ92がマイナスの軌道方向およびマイナスのシャフト回転／平行移動を生じさせる。一つの回転方向の場合のモータの一つの軌道サイクルならびに対応する駆動信号振幅90および91が90°増分76、78、80、82および84で順次に示されている。円筒の曲げおよび軌道運動がX72a/72bおよびY74a/74b方向で示されている。ナットが一つの場所73aでねじ付きシャフトの側面と接触し、するとその反対側面には隙間73bができ（図5Bを参照）、それによって接触が接線方向の力および動きを付与し、それが、軌道サイクルごとに小さな量だけシャフト12を回転96および平行移動98させる。サイクルごとの回転および平行移動の量は、軌道振幅、シャフトに作用する力27の大きさおよび摩擦係数およびねじの表面仕上げをはじめとする多くの要因に依存する。ナットとシャフトとの接点73aでゼロ滑り条件が達成されるならば、1サイクルあたりの動きは、名目上、ねじ間の直径方向隙間に比例する。一般に、駆動振幅90および91が増大するにつれ、軌道直径が増し、シャフト12とナット16との間の法線接触力が増大し、滑りが減少し、速度が増大し、トルク／力が増大する。

超音波振動数は周期の逆数であり（図19の周期94aおよび94bを参照）、そのような超音波振動数は、好ましくは、両方の信号で同じであり、ハウジング14の第一の曲げ共振振動数に適合する。

図20〜25を参照すると、モータアセンブリ100は、モータ10をカバー58および刻み付きノブ102と組み合わせるものである。ねじ付きシャフト112がモータ10内に配置されている。図21でわかりやすく示すように、ねじ付きシャフト112はねじ付きシャフト12（図1を参照）に似ているが、一体的に取り付けられた平滑なスピンドル113を有するという点で、それと異なる。スピンドル113は、刻み付きノブ102に取り付けられるように適合している。カバー58がフランジ45でモータ10に取り付けられる。刻み付きノブ102は、カバー58に接触することなく、シャフト112とともに回転し、平行移動する。

図21はモータアセンブリ100の分解図である。図22はモータアセンブリ100の断面図である。

図23A、23Bおよび23Cはモータアセンブリ100を示す。図23Aは、図20とは逆に見たモータアセンブリ100の斜視図である。図23Bは、ノブ102およびシャフト112が右回り103に回転し、矢印105の方向に平行移動する場合のモータアセンブリ100の動作を示す。比較のため、図23Cは、ノブ102およびシャフト112が左回り107に回転し、矢印109の方向に平行移動する場合のモータアセンブリ100の動作を示す。

明らかであるように、説明しやすくするため、モータアセンブリの種々の構成部品への電気接続のための物理的手段は図面から省かれている。

同じく明らかであるように、刻み付きノブ102の存在は、モータアセンブリ100を電気的手段によって動かすことに代えてまたはそれに加えて、モータアセンブリ100を手作業的手段によって動かすことを可能にする。したがって、たとえば、アセンブリ100は、従来の手作業的調節手段およびさらなる電気的に自動化された調節手段の両方をユーザに与えるマイクロメーター駆動代替物として使用することができる。

図示しない一つの態様では、アセンブリの機械的移動のための第二の手段を考慮して、刻み付きノブ102は外部モータに機械的に接続される。

図24Aおよび24Bは、平行移動リニアステージ104a/104bに動作的に接続されたモータアセンブリ100を含む調節可能なリニアステージ106を示す。この態様では、モータアセンブリ100のカバー58が下ステージ部104bに取り付けられ、ボール26が上ステージ部104aと接触する。明らかであるように、刻み付きノブ102が右回り方向103に動くと、矢印105の方向の直線運動が起こる。逆に、刻み付きノブ102が左回り方向107に動くと、矢印109の方向の直線運動が起こる。

図24Aおよび24Bに概略的に示す一つの態様では、ピン115および116を含むばねアセンブリ111（点線の輪郭で示す）が平行移動ステージ104a/104bを矢印109の方向に偏らせる。図示する態様では、ピン115は、アセンブリの上可動部分104aに取り付けられ、ピン116は、アセンブリの下固定部分104bに取り付けられている。明らかであるように、ばねアセンブリ111は、軸力27（図5および6を参照）を生じさせるために使用することができる。

図25は、ステージ106a、106bおよび106cをX、YおよびZ軸方向に動かすことができるマイクロマニピュレータ120の斜視図である。

本発明は、その好ましい形態で、ある程度の特異性をもって説明したが、好ましい形態の開示を構成の詳細に関して変更することができ、本発明の本質および範囲を逸することなく部品の様々な組み合わせおよび配置に頼ることができることが理解されよう。

本明細書の先の部分では、回転軸を有するねじ付きシャフトおよびそれと係合したねじ付きナットを含むねじ付きシャフトアセンブリを駆動するための装置であって、該アセンブリが、該ねじ付きナットを超音波振動に供し、それによって該シャフトを回転させると同時に軸方向に平行移動させるための手段を含む、装置を記載した。明らかであるように、該ねじ付きシャフトアセンブリを振動させ、それによって該ねじ付きナットを回転させると同時に平行移動させるための手段を含む同等な装置を製造することもできる。

図26〜29は本発明のもう一つの好ましいモータ142の略図である。図26〜29を参照すると、超音波リニアモータ142は、象限電極を備えた圧電管144を使用して超音波振動を発生させる。モータ142および管144はモータ50および管54に似ている（図13〜17を参照）。球状のボールチップ26を有するねじ付きシャフト12が回転し、軸方向の力および動きを生じさせる。回転は、振動する圧電管144に接続されたねじ付きナット152の超音波軌道によって生じる。管の内径は、63で接地されている連続電極61である。管54と管144との違いは、電極61が管の端部を巻き、各端部の外径に電極リング146を形成することである。管の外径は4個の別個の電極60、62、64および66に分割されている。圧電材料は、低い誘電損および高い減分極電圧を有する一般に利用可能な「硬い」組成物である。圧電管のうち、各電極60、62、64および66の下の部分の軸方向長さは、印加電圧およびd31圧電電荷係数に比例して変化する。電極区分60、64および62、66は、それぞれ対になって協働して管144を曲げ、軌道共振を励起する。モータ50に関して先に論じたように、交流電気駆動信号86および88が、それぞれ電極60、64および62、66に対し、ポーリング方向43で印加される。各電極対60、64および62、66に関して、電場は、1個の電極のポーリング方向に関してはプラスであり、反対側の電極のポーリング方向に関してはマイナスである。駆動信号Vx86が電極60、64に印加され、1個の電極の下での伸びおよび反対側の電極の下での縮みを同時に生じさせ、それにより、管をX方向72a/72b（図18を参照）に曲げる。同様なやり方で、駆動信号Vy88が電極62、66に印加され、管をY方向74a/74b（図18を参照）に曲げる。

再び図26を参照すると、ねじ付きナット152とは反対側の管端部はガイドブッシュ150に接合され、ブッシュ内径とねじ付きシャフトの外径との間に小さな隙間ができる。装着フランジ148は結節点で管144の外径に接合されている。結節点は、管が共振するとき最小限の動きを示す、管上の軸方向位置である。シャフト12およびナット152上のねじピッチが軌道の接線方向の力および動きを軸方向の力および動きに変換する。ピッチは、力の倍率、減速、分解能増強および電源オフ時保持力を最適化するように選択することができる。

図30〜36は本発明のモータ154のもう一つの好ましい態様を示す。図30〜36を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、超音波リニアモータ154は、好ましくは、平面上90°間隔で半径方向に向けられた4個の圧電スタック162、164、166および168を使用して超音波振動を発生させる。球状のボールチップ26を有するねじ付きシャフト12が回転し、軸方向の力および動きを生じさせる。回転は、弾性要素160を介して4個の圧電スタック162、164、166および168（ベースフランジ158に接合されている）に接続されたねじ付きナット156の超音波軌道によって生じる。4個のスタック162等は、圧電プレート172から、定評あるアセンブリおよび電気相互接続法170を使用して、リードが好ましくは共通のアース174にいっしょに接続されるように構築されている。スタック162等の長さは、印加電圧69、70およびd33圧電電荷係数に比例して変化する。圧電材料は、低い誘電損および高い減分極電圧を有する一般に利用可能な「硬い」組成物である。交流電気駆動信号86および88が各圧電スタックのリードに接続され、ナットの軌道振動を励起する。圧電スタック162等は、それぞれ対になって協働してナット156を軌道共振76、78、80、82、84させて動かす。交流電気駆動信号Vx86およびVy88が、それぞれスタック162、166および164、168に対し、ポーリング方向176で印加される。各スタック対162、166および164、168に関して、電場は、1個のスタックのポーリング方向176に関してはプラスであり、反対側のスタックのポーリング方向に関してはマイナスである。駆動信号Vx86がスタック162、166に印加され、1個のスタックにおける伸びおよび反対側のスタックにおける縮みを同時に生じさせ、それにより、ナット156をX方向72a/72bに平行移動させる。同様なやり方で、駆動信号Vy88がスタック164、168に印加され、ナット156をY方向74a/74bに平行移動させる。図示されていないが、圧電スタック162等以外のアクチュエータ構造を使用してナット156の同じ軌道共振を生じさせることもできることが当業者には理解されよう。そのようなアクチュエータとしては、印加電圧およびd31圧電電荷係数に比例して長さを変える圧電プレート、電磁ソレノイドもしくはボイスコイル、静電誘引または超音波振動を生じさせることができる他の変換器がある。シャフト12およびナット156上のねじピッチが軌道の接線方向の力および動きを軸方向の力および動きに変換する。ピッチは、力の倍率、減速、分解能増強および電源オフ時保持力を最適化するように選択することができる。

図37〜39は、本発明のモータ142の一つを含む光学アセンブリ180を示す。これらの図面から明らかであるように、図示する態様では、レンズ184は、ねじ付き中空シャフト182の回転軸204と一致するその中心線204に関して回転対称である。

図37〜39を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、光学アライメント機構180は、中空の中心を有するシャフト182を有するモータ142を、シャフト中心線204に整合され、接合された光学要素184と組み合わせるものである。光学要素184は、透過型、反射型、凹面、凸面または多数の光学要素のアセンブリをはじめとする多くのタイプであることができる。モータ142が、中空のシャフト182および光学要素184を回転させ、平行移動202させて、焦点距離の変更または合焦のような機能のための精密な光学アライメントを達成する。

図37〜39に示す態様では、光学要素184が使用されている。この態様では、光学要素はレンズである。光学要素184は可動光学要素であることが好ましい。当業者に公知の可動光学要素の多くを使用することができる。たとえば、米国特許第3,612,664号（光路補正装置）、第3,958,117号（測距および自動合焦装置）、第4,184,759号（写真撮影装置）、第4,629,308号（拡大率可変コピー機のためのレンズおよびシャッタ位置決め機構）、第5,296,943号（多光路電子カメラアセンブリ）、第5,894,371号（可変焦点レンズのための合焦機構）、第5,969,886号（レンズバレルおよび光学装置）、第6,236,448号（プロジェクション露光システム）、第6,445,514号（微細位置決め光学要素）、第6,606,426号（ビームアライメントシステム）、第6,678,240号などを参照することができる。これらの米国特許出願それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。

さらなる例示として、本発明のリニアモータの一つまたは複数を、従来技術モータを利用する従来技術カメラで使用することもできる。たとえば、一例として、米国特許第5,091,781号（カメラ移動装置）、第5,157,435号（ビデオカメラのための自動合焦装置）、第5,357,308号（自動ズームカメラおよびその駆動方法）、第5,434,621号（自動ズーミングのための被写体追跡装置）、第5,943,513号（カメラズーム装置）などに記載されているカメラの一つまたは複数における従来技術モータに代えて用いることができる。これらの米国特許それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み入れられる。

図40〜42はもう一つの好ましい光学アセンブリ186を示す。図40〜42を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、光学アライメント機構186は、中空の中心を有するシャフト182を有するモータ154を、シャフト中心線に整合され、接合された光学要素184と組み合わせるものである。光学要素184は、透過型、反射型、凹面、凸面または多数の光学要素のアセンブリをはじめとする多くのタイプであることができる。モータ154が、中空のシャフト182および光学要素184を回転させ、中心線204上で平行移動202させて、焦点距離の変更または合焦のような機能のための精密な光学アライメントを達成する。

図43〜45はさらに別の好ましい光学アセンブリ188を示す。図43〜45を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、カメラオートフォーカスおよびオートズームアセンブリ188は、機構186に似た2個の光学アライメント機構194および196を、CCDアレイのような焦点面撮像素子192およびハウジング190と組み合わせるものである。機構196は、撮像素子192の非常に近くにあり、レンズ198を素子192およびレンズ200に対して平行移動させることによってカメラズームを変化させる透過レンズを組み込んでいる。この態様では、ズームレンズ198の直径は撮像素子192およびフォーカスレンズ200よりも大きく、そのため、機構196は、妨害を受けずに平行移動することができる。機構194は、素子192の反対側で機構196に隣接し、レンズ200をレンズ198および素子192に対して平行移動させることによってカメラフォーカスを変化させる透過レンズを組み込んでいる。この態様では、機構194を平行移動させるときの妨害を除くため、フォーカスレンズ200の直径はズームレンズ198よりも小さい。光学要素198および200の中心線は、中心線204と一致し、素子192の画面に対して垂直である。要素198および200は同時に平行移動し、回転202する。この態様では、要素198および200は中心線204を中心に回転対称である。

図46〜48はさらに別の好ましい光学アセンブリ206を示す。図46〜48を参照すると、その中で示されている好ましい態様で、非回転光学素子が求められる状況の場合で、平行移動208するが回転はしない光学レンズ198および200を備えたカメラオートフォーカスおよびオートズームアセンブリ206が記載されている。該アセンブリ206は、平行移動し、回転202する光学レンズ198および200を有するアセンブリ188に似ているが、ボール軸受けのような低摩擦回転軸受け212を介してねじ付きモータシャフト182に接続されているレンズ装着シャフト210を組み込んでいる。ピン214が各装着シャフト210の端部に接続され、中心線204に対して垂直に向けられている。該ピン214はハウジング190中の固定スロット216と係合し、それが、ピン214、装着シャフト210ならびにレンズ198および200の回転を阻止するが、ピン214、装着シャフト210ならびにレンズ198および200の、中心線204に対して平行な軸方向208への平行移動を可能にする。

当業者には明らかであるように、図26〜48に示す光学アセンブリは、本出願人のリニアモータを利用することができる数多くの可動光学要素の単なる例示である。

図49〜52およびその中で示されている態様を参照すると、モータ230は、図1〜5および18に示されているモータ10と同様であり、装着フランジ231が付着しているモータ本体235を含む。フランジ231は薄く、好ましくは0.25ミリメートル〜0.50ミリメートルの厚さであり、振動振幅が最小化されるモータ230の第一の曲げ共振の節点にできるだけ接近して位置することが好ましい。モータ本体235は、対応するねじを有するねじ付きシャフト232が、シャフト232上の円形回転フェース233がねじ穴235aから突き出すように通過する、長さ全体を横断する縦方向のねじ穴235aを含む。この態様では、本体235の長さ全体がねじ穴235aである。しかし、他の態様が本体の長さの一部のみを貫き、残りの長さをスクリュー232との平滑な隙間適合にすることもできることが理解される。モータ本体235上に、長方形圧電プレート18、20、22および24が接着過程を介して固定的に取り付けられる。

図50を参照すると、長方形圧電プレート18、20、22および24が、モータ本体235の平坦な装着表面235bに接着していることが見てとれる。

図49〜52に示す態様では、装着フランジ231は、長方形圧電プレート18、20、22および24を妨害しないようなサイズであるが、図54でわかりやすく示すように様々な装着オプションを提供し、種々の圧電プレート外形に対応するような任意の輪郭（profile）であり得る外側放射状輪郭231aおよびくぼみ231bを有する。モータ230は、モータ10と同一の様式で電気的および機械的に作動する（図1〜5、18および19を参照）。長方形圧電プレート18、20、22および24の励起によって引き起こされる動きは、モータ10について説明されたのと同一であり、その後のモータ本体235の曲げは、ねじ付きシャフト233を回転260aさせ、効果的に直線的に平行移動260bさせる。

図53〜59Bを参照すると、モータ230は、光学アセンブリ236と組み合わせるものである。光学アセンブリ236は、カメラおよび携帯電話のような市販のデジタル撮像製品で見られるようなオートフォーカスモジュールの類であることができる。図53を参照すると、モータ230は、ハウジング237およびカバー238によって包まれ、開口部240を通して光を受容するレンズアセンブリ239を作動する。ハウジング237およびカバー238は、射出成形プラスチックで構成され得る。

図54は、光学アセンブリ236の構成部品の部分断面図を示す。開口部240に入り、レンズ239を通して進行する光は、センサー241上に投影される。そのようなセンサー241は、CCDまたはCMOS技術を用いたデジタル画像センサーを含むことができる。モータ230は、装着フランジ231を介してハウジング237に固定的に取り付けられる。装着フランジ231は、成形の特徴によってハウジング237中に位置することができ、熱スタンピングのような通常の工業用過程を介して固着され得る。ねじ付きシャフト232は、隙間穴237aを通して回転260aし、その後平行移動260bすることが許容される。図では不明瞭であるスクリュー232の円形チップ233は、上部レンズ屈曲部242に接しており、センサー241と関連してレンズ239の位置を変化させる手段を提供する。レンズ239は、小さな振幅について実質的に直線運動である円弧状直線運動260cでレンズ239の動きを導く四棒連鎖を形成するために、一つの面で上部レンズ屈曲部242に、および反対面で下部レンズ屈曲部243に固定的に取り付けられる。上部レンズ屈曲部242および下部レンズ屈曲部243は、写真化学エッチングまたはワイヤー放電加工のような工業用過程を介して製造されるスプリングスチールのような弾性材料で構成されている。部材は、プレロード力260dが常にシャフトチップ233上に作用するように予め曲がっている。上部レンズ屈曲部242および下部レンズ屈曲部243は、スペーサー244によって離れて保持され、レンズ239の装着と関連して、動作は、ねじ付きシャフト232の平行移動が、図56、57および58でわかりやすく示される動き260cを生じさせるようである。

図55を参照すると、光学アセンブリ236は、すべての構成部品が一つの方向から連続して装着され得る様式で組み立てられている。センサー241は、ハウジング237のセンサーレセプタクル237b中に設置される。モータ230は、ハウジング237中のモータポスト237dに固定的に取り付けられる。スペーサー244を有する上部レンズ屈曲部242および下部レンズ屈曲部243は、接着剤またはプレス嵌めのような機械的手段を介してレンズ239に取り付けられる。スペーサー244は、ハウジング237中のスペーサーシャフト237cをおおって周囲に適合される。レンズ239の向きは、上部レンズ屈曲部242上の位置決めフラット245およびスペーサーシャフト237c上の対応する特徴を介して維持され得る。カバー238は、ハウジング237中のカバーレッジ（ledge）237e上に設置される。

図56〜58を参照すると、その中で態様の作動が詳述されている。図56は、隙間穴237a内に完全に格納されたねじ付きシャフト232を示す部分断面図であり、示されていないが、予め曲がった屈曲部242および243が、プレロード力260dを円形回転フェース233上へ作用させている。レンズ239は動き260cを有し、センサー241に最も接近した位置へと動いた。図57は、こうむったいくらかの回転運動260aおよび結果として生じた平行移動260bを有し、効果的に屈曲部242および243を持ち上げ、レンズ239をセンサー241からさらに遠い位置へと動かす動き260cを生じさせるねじ付きシャフト232を示す部分断面図である。図58は、こうむった追加的な回転運動260aおよび結果として生じた平行移動260bを有し、動き260cを生じさせ、レンズ239をセンサー241から最大距離へ動かすねじ付きシャフト232を示す部分断面図である。

図59A〜59Bを参照すると、光学アセンブリ236が携帯電話248に適合されることが明らかである。説明しやすくするため、光学アセンブリ236および携帯電話248の種々の構成部品への電気接続のための物理的手段は図面から省かれている。

図60〜66を参照すると、モータ142は、シリンジアセンブリ249と組み合わせるものである。シリンジアセンブリ249は、商業的な医療用有効性の一つであることができ、着用可能な液体ポンプのような製品の類似物で使用され得る。図60は、図61でわかりやすく示すように、シリンジアセンブリ249および具現化されたモータ142の斜視図を示す。モータ142は、シリンジ本体250と係合したシリンジプランジャー251中に収容される。ねじ付きシャフト12は、回転軸受け254によって周囲を収容され、ベース252中に固定的に収納される。図61は、作動するモータ142がねじ付きシャフト12を低摩擦軸受け254内に回転260aさせるように、モータ142がシリンジプランジャー251と係合している該態様の部分断面図である。軸受け254は、シャフトの回転を可能にするが、シャフト12がモータハウジング142の平行移動260bをもたらす平行移動260bするのを防ぐ。ハウジング142は、シリンジプランジャー251に取り付けられ、したがって、モータ142およびハウジング251はともに平行移動260bするが、回転しない。

ホール効果回転位置センサー256は、ハウジング252に組み合わせるものであり、シャフト12の回転を測定する。この態様では、市販のセンサーがAustria Microsystems Model AS5040 Magnetic Rotary Encoderより示される。キャパシタンス、インダクタンス、光学および干渉分光法をはじめとする方法を検知する他のものを使用する多くの他のタイプの位置センサーが組み入れられてもよいことが理解される。永久磁石255が、向かい合う半円上のNおよびS極でシャフト12の末端に接着する。シャフト12が回転するとき、変化する磁界がセンサー256によって測定され、回転の量が、エンコーダ回路ボード253によって伝達されるデジタルエレクトロニクス信号に変換される。

図62を参照すると、分解図が示されている。エンコーダ回路ボード253およびその装着されたエンコーダ256は、回転軸受け254がともに装着されているベース252内で組み立てられている。磁石255は、センサー256からの固定された隙間を有してねじ付きシャフト12とともに永久的に設置される。シリンジプランジャー251は、シリンジ本体250で周囲が保持される。

図63および64を参照すると、該態様の作動が詳述される。図63は、図61でわかりやすく示すように、完全に格納されたモータ142および、多量の液体が占有し得るシリンジ本体250内の空の領域257を可能にするシリンジプランジャー251を示す。図64は、図61でわかりやすく示すように、完全に伸長されたモータ142ならびに、シリンジ本体250内の図63の空の領域257の存在、および、その後のシリンジ本体250内の任意の液体の放出を引き起こす、シリンジプランジャー251を示す。

図65および66を参照すると、シリンジアセンブリ249が液体ポンプのような商業的医療用製品に適合されることが明らかである。説明しやすくするため、エンコーダ回路ボード253およびモータ142の種々の構成部品への電気接続のための物理的手段は図面から省かれている。特に図65を参照すると、シリンジプランジャーは、モータ142動作中にシリンジプランジャー251の回転を防ぐために、回転防止タブ251aがタブレスト258aと係合するように液体ポンプ258内に収まる。

図67A〜71Dを参照すると、接線運動を限定する特徴261が、すべての態様においてねじをロックすることなく順および逆移動を機械的に限定する好ましい方法として説明される。図67Aは、接線運動を限定する特徴261の斜視図である。ねじ付きシャフト12が伸長し、末端キャップ264とサムノブ265とが分離されている。固定タブ262と回転タブ263とは係合していない。図67Bは、接線運動を限定する特徴261（図67Aの259）の拡大スケール図である。図68Aは、接線運動を限定する特徴261の斜視図である。ねじ付きシャフト12が格納され、末端キャップ264とサムノブ265とがお互いに近く接近している。固定タブ262と回転タブ263とが係合している。図68Bは、接線運動を限定する特徴261（図67Aの266）の拡大スケール図である。

図69A〜70Bを参照すると、接線運動を限定する特徴261の構成部品が示されている。図69Aは、末端キャップ264および固定タブ262の斜視図である。図69Bは、末端キャップ264および固定タブ262の側面図である。図70Aは、サムノブ265および回転タブ263の斜視図である。図70Bは、サムノブ265および回転タブ263の側面図である。

図71A〜71Dを参照すると、接線運動を限定する特徴261の作動が詳述されている。図71Aは、伸長したねじ付きシャフト12を示す側面図である；末端キャップ264とサムノブ265とが分離されている。固定タブ262と回転タブ263とは係合していない。図71Bおよび71Cは、連続的に進行して、末端キャップ264およびサムノブ265がお互いに近づき始めるように、ねじ付きシャフト12が回転260aし、平行移動260bし始める側面図である。固定タブ262と回転タブ263とは係合していない。図71Dは、末端キャップ264とサムタブ265とが出合うように、ねじ付きシャフト12が回転260aし、平行移動260bした側面図である。固定タブ262と回転タブ263とは係合し、シャフト12の動きは、ねじ上に高い軸荷重を作り出し、その後のモータ動作を妨げるロッキングを起こすことなく、停止する。

本発明を十分に説明したが、請求の範囲の本質および範囲を逸することなく数多くの変更および改変を本発明に加えることができることが当業者には明白であろう。

本明細書、請求の範囲および同様な参照番号が同種の要素を指す図面を参照することによって本発明を説明する。
4枚の長方形圧電プレートを含むモータを示す。モータの斜視図である。 4枚の長方形圧電プレートを含むモータを示す。モータの分解図である。 4枚の長方形圧電プレートを含むモータを示す。モータの端面図である。 4枚の長方形圧電プレートを含むモータを示す。モータへの電気接続を示す図である。 4枚の長方形圧電プレートを含むモータを示す。図3の線A-A（30）から見たモータの断面図である。 4枚の長方形圧電プレートを含むモータを示す。外部プレロードおよびモータ電源オフ状態でのねじ係合の拡大図（図5の47）である。 4枚の長方形圧電プレートを含むモータを示す。モータ作動状態での図5Aと同じ拡大図である。 4枚の長方形圧電プレートを含むモータを示す。図3の線B-B（32）から見た断面図である。 4個の圧電スタックを含むモータを示す。モータの斜視図である。 4個の圧電スタックを含むモータを示す。モータの分解図である。 4個の圧電スタックを含むモータを示す。モータの端面図である。 4個の圧電スタックを含むモータを示す。モータへの電気接続を示す図である。 4個の圧電スタックを含むモータを示す。図9の線A-A（48）から見た断面図である。 4個の圧電スタックを含むモータを示す。図9の線B-B（46）から見た断面図である。 4個の外側電極を備えた圧電管を含むモータを示す。モータの斜視図である。 4個の外側電極を備えた圧電管を含むモータを示す。モータの分解図である。 4個の外側電極を備えた圧電管を含むモータを示す。モータの端面図である。 4個の外側電極を備えた圧電管を含むモータを示す。モータへの電気接続を示す図である。 4個の外側電極を備えた圧電管を含むモータを示す。図15の線A-A（56）から見た断面図である。 ねじ付きシャフトの回転および平行移動を示す、図1のモータの場合のねじ付きナットの軌道運動の略図である。 図18に示す動きを作り出すために必要な電気駆動信号の略図である。 図1のモータをリニアステージとでパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリの斜視図である。 図1のモータをリニアステージとでパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリの分解図である。 図1のモータをリニアステージとでパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリの断面図である。 図1のモータをリニアステージとでパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。図20とは逆から見た、モータアセンブリの斜視図である。 図1のモータをリニアステージとでパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリが順方向に回転し、平行移動する方法を示す斜視図である。 図1のモータをリニアステージとでパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリが逆方向に回転し、平行移動する方法を示す斜視図である。 図1のモータをリニアステージとでパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。順方向に作動するリニアステージに組み込まれたモータアセンブリを示す図である。 図1のモータをリニアステージとでパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。逆方向に作動するリニアステージに組み込まれたモータアセンブリを示す図である。 図1のモータをリニアステージとでパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。3軸ステージシステムに組み込まれたモータアセンブリを示す図である。 図13〜17と同様、4個の外側電極を備えた圧電チューブを含むモータを示す。モータの斜視図である。 図13〜17と同様、4個の外側電極を備えた圧電チューブを含むモータを示す。モータの分解図である。 図13〜17と同様、4個の外側電極を備えた圧電チューブを含むモータを示す。モータの端面図である。 図13〜17と同様、4個の外側電極を備えた圧電チューブを含むモータを示す。図28の線A-A（130）から見た断面図である。 4個の圧電スタックを平面配列で含むモータを示す。モータの斜視図である。 4個の圧電スタックを平面配列で含むモータを示す。モータの分解図である。 4個の圧電スタックを平面配列で含むモータを示す。モータの端面図である。 4個の圧電スタックを平面配列で含むモータを示す。図32の線A-A（132）から見た断面図である。 4個の圧電スタックを平面配列で含むモータを示す。モータ中の1個の圧電スタックへの電気接続を示す図である。 4個の圧電スタックを平面配列で含むモータを示す。モータ中の4個のスタックへの電気接続を示す図である。 4個の圧電スタックを平面配列で含むモータを示す。図36A〜36Eは、図18に示す動的な作動に似ている、ねじ付きシャフトの回転を示す図30のモータの場合のねじ付きナットの軌道運動の図である。 モータおよびレンズを組み合わせた光学アライメント機構を示す。中空のシャフトを備え、該シャフト内にレンズが設置されている、図26のモータの斜視図である。 モータおよびレンズを組み合わせた光学アライメント機構を示す。モータの端面図である。 モータおよびレンズを組み合わせた光学アライメント機構を示す。図38の線A-A（134）から見た断面図である。 モータおよびレンズを組み合わせた光学アライメント機構を示す。中空のシャフトを備え、該シャフト内にレンズが設置されている、図30のモータの斜視図である。 モータおよびレンズを組み合わせた光学アライメント機構を示す。モータの端面図である。 モータおよびレンズを組み合わせた光学アライメント機構を示す。図41の線A-A（136）から見た断面図である。 焦点面撮像素子を備えた図40に示す2個の光学アライメント機構を組み込んだカメラオートフォーカスおよびオートズームアセンブリを示す。カメラアセンブリの斜視図である。 焦点面撮像素子を備えた図40に示す2個の光学アライメント機構を組み込んだカメラオートフォーカスおよびオートズームアセンブリを示す。アセンブリの端面図である。 焦点面撮像素子を備えた図40に示す2個の光学アライメント機構を組み込んだカメラオートフォーカスおよびオートズームアセンブリを示す。図44の線A-A（138）から見た断面図である。 光学レンズが、平行移動するが回転はしないよう、回転防止ピンによって軸受けに装着されている、図43に示すカメラアセンブリを示す。カメラアセンブリの斜視図である。 光学レンズが、平行移動するが回転はしないよう、回転防止ピンによって軸受けに装着されている、図43に示すカメラアセンブリを示す。アセンブリの端面図である。 光学レンズが、平行移動するが回転はしないよう、回転防止ピンによって軸受けに装着されている、図43に示すカメラアセンブリを示す。図47のA-A（140）から見た断面図である。 内部の長さ全体が係合したねじを構成する中心部材に固定的に取り付けられた4枚の長方形圧電プレートを含む、（図1〜5と同様の）モータを示す。モータの斜視図である。 内部の長さ全体が係合したねじを構成する中心部材に固定的に取り付けられた4枚の長方形圧電プレートを含む、（図1〜5と同様の）モータを示す。モータの分解図である。 内部の長さ全体が係合したねじを構成する中心部材に固定的に取り付けられた4枚の長方形圧電プレートを含む、（図1〜5と同様の）モータを示す。モータの端面図である。 内部の長さ全体が係合したねじを構成する中心部材に固定的に取り付けられた4枚の長方形圧電プレートを含む、（図1〜5と同様の）モータを示す。図51の線A-A（246）から見たモータの断面図である。 図49のモータを、デジタルカメラおよび携帯電話で使用されるようなオートフォーカスを提供する光学アセンブリ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。オートフォーカスレンズアセンブリにパッケージングされたモータアセンブリの斜視図である。 図49のモータを、デジタルカメラおよび携帯電話で使用されるようなオートフォーカスを提供する光学アセンブリ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリパッケージの部分断面図である。 図49のモータを、デジタルカメラおよび携帯電話で使用されるようなオートフォーカスを提供する光学アセンブリ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリパッケージの分解図である。 図49のモータを、デジタルカメラおよび携帯電話で使用されるようなオートフォーカスを提供する光学アセンブリ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。完全に格納されたモータアセンブリおよび付随のレンズ機構を示す部分断面図である。 図49のモータを、デジタルカメラおよび携帯電話で使用されるようなオートフォーカスを提供する光学アセンブリ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリが順方向に平行移動し、結果的にレンズ機構を動かす方法を示す部分断面図である。 図49のモータを、デジタルカメラおよび携帯電話で使用されるようなオートフォーカスを提供する光学アセンブリ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリが完全に平行移動し、レンズ機構を操縦し得る方法を示す部分断面図である。 図59Aは、図49のモータを、デジタルカメラおよび携帯電話で使用されるようなオートフォーカスを提供する光学アセンブリ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。携帯電話に組み込まれた図53のモータアセンブリパッケージを示す斜視図である。図59Bは、図49のモータを、デジタルカメラおよび携帯電話で使用されるようなオートフォーカスを提供する光学アセンブリ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリパッケージ（図59Aの247）の拡大スケール部分断面図である。 図26のモータを、医療用液体ポンプで使用されるような制御液体分注のための手段を提供する分注シリンジ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。シリンジ液体分注システムにパッケージングされたモータアセンブリの斜視図である。 図26のモータを、医療用液体ポンプで使用されるような制御液体分注のための手段を提供する分注シリンジ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリパッケージの部分断面図である。 図26のモータを、医療用液体ポンプで使用されるような制御液体分注のための手段を提供する分注シリンジ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。モータアセンブリパッケージの分解図である。 図26のモータを、医療用液体ポンプで使用されるような制御液体分注のための手段を提供する分注シリンジ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。液量がシリンジ本体の内部に残るのを可能にする、シリンジのプランジャーに沿って完全に格納されたモータアセンブリを詳述する斜視図である。 図26のモータを、医療用液体ポンプで使用されるような制御液体分注のための手段を提供する分注シリンジ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。すべての液量をシリンジ本体から押し出す、付随のプランジャーとともに完全に平行移動したモータアセンブリの斜視図である。 図26のモータを、医療用液体ポンプで使用されるような制御液体分注のための手段を提供する分注シリンジ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。医療用液体ポンプ内にパッケージングされたモータアセンブリの斜視図である。 図26のモータを、医療用液体ポンプで使用されるような制御液体分注のための手段を提供する分注シリンジ内にパッケージングし、組み合わせたモータの応用を示す。医療用液体ポンプハウジング内のモータアセンブリを示す図65の部分断面図である。 図67Aは、本明細書に含まれるすべてのモータで使用され得る、接線運動を限定する特徴を示す。非係合状態における組み込まれた接線運動を限定する特徴を有する典型的なモータアセンブリの斜視図を示す。図67Bは、本明細書に含まれるすべてのモータで使用され得る、接線運動を限定する特徴を示す。接線運動を限定する特徴（図67Aの259）の拡大スケール図である。 図68Aは、本明細書に含まれるすべてのモータで使用され得る、接線運動を限定する特徴を示す。係合状態における組み込まれた接線運動を限定する特徴を有する典型的なモータアセンブリの斜視図を示す。図68Bは、本明細書に含まれるすべてのモータで使用され得る、接線運動を限定する特徴を示す。接線運動を限定する特徴（図68Aの266）の拡大スケール図である。 本明細書に含まれるすべてのモータで使用され得る、接線運動を限定する特徴を示す。接線運動を限定する特徴の固定局面の斜視図である。 本明細書に含まれるすべてのモータで使用され得る、接線運動を限定する特徴を示す。接線運動を限定する特徴の固定特性を詳述する側面図である。 本明細書に含まれるすべてのモータで使用され得る、接線運動を限定する特徴を示す。接線運動を限定する特徴の回転局面の斜視図である。 本明細書に含まれるすべてのモータで使用され得る、接線運動を限定する特徴を示す。接線運動を限定する特徴の回転能力を詳述する側面図である。 本明細書に含まれるすべてのモータで使用され得る、接線運動を限定する特徴を示す。モータが回転し、平行移動するときの接線運動を限定する特徴の作動の段階を図示する。

Claims (24)

1. 回転軸を有するねじ付きシャフトおよびそれと係合したねじ付きナットを含む、ねじ付きシャフトアセンブリを駆動するための装置であって、該アセンブリが、該ねじ付きナットを超音波振動に供し、それによって該ねじ付きシャフトを回転させると同時に該ナットを通して軸方向に平行移動させ、したがって該軸方向に軸力を加えるための手段を含む、装置。
2. ねじ付きシャフトが、軸方向における荷重に動作的に接続されている、請求項1記載の装置。
3. 荷重が可動である、請求項2記載の装置。
4. 荷重が、レンズ、画像センサーおよび屈曲部を含む光学アセンブリを含み、該屈曲部が、該画像センサーの位置と関連して該レンズの軸方向に沿って実質的に直線誘導を提供する、請求項3記載の装置。
5. 光学アセンブリを含むカメラをさらに含む、請求項4記載の装置。
6. 軸方向における軸力が、レンズ、画像センサー、ズームレンズおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される光学装置を動かす、請求項5記載の装置。
7. 電話を更に含み、カメラが該電話の内部に配置される、請求項6記載の装置。
8. 支持ハウジングをさらに含み、ねじ付きシャフトが、回転を可能にして軸運動を防ぐ低摩擦軸受けに動作的に接続され、荷重が、ねじ付きナットおよび支持ハウジングに接続されている、請求項1記載の装置。
9. 荷重が、シリンジ中に位置する可動プランジャーを含む、請求項8記載の装置。
10. ねじ付きシャフトの運動の大きさを測定するための手段をさらに含む、請求項1記載の装置。
11. ねじ付きシャフトの運動の大きさを測定するための手段が、ホール効果磁気センサーを含む、請求項10記載の装置。
12. ねじ付きシャフトの位置が、容量センサー、誘導センサー、光学センサーおよびそれらの組み合わせからなる群より選択されるセンサーを用いて測定される、請求項10記載の装置。
13. シリンジを含む薬物送達装置をさらに含む、請求項9記載の装置。
14. ねじ付きシャフトが、プラスの軸方向およびマイナスの軸方向双方に平行移動するように動作的に構成される、請求項1記載の装置。
15. 接線運動を限定する特徴をさらに含み、
    （a）ねじ付きナットおよびねじ付きシャフトがねじを含み；
    （b）該接線運動を限定する特徴が、該ねじ上の軸荷重を増加することなく回転を防ぐために構成される、
    請求項14記載の装置。
16. 接線運動を限定する特徴が、ねじ付きナット上に配置される第一のノッチ、およびねじ付きシャフト上に配置される第二のノッチを含み、各ノッチが、第一のノッチが第二のノッチと係合し、したがって該ねじ付きナットおよび該ねじ付きシャフトが締まるのを防ぐように動作的に構成される、請求項15記載の装置。
17. 超音波振動を発生させるための手段をさらに含む、請求項1記載の装置。
18. 回転軸を有するねじ付きシャフトおよびそれと係合したねじ付きナットを含む、ねじ付きシャフトアセンブリを駆動するための装置であって、該ねじ付きナットおよび該ねじ付きシャフトが、超音波振動への曝露時に、該ねじ付きシャフトが回転すると同時に該ナットを通して軸方向に平行移動し、したがって該軸方向に軸力を加えるように動作的に構成される、装置。
19. 回転軸を有するねじ付きシャフトおよびそれと係合したねじ付きナットを含む、ねじ付きシャフトアセンブリを駆動するための装置であって、
    （a）該アセンブリが、該ねじ付きナットを超音波振動に供し、それによって該ねじ付きシャフトを回転させると同時に該ナットを通して軸方向に平行移動させ、したがって該軸方向に軸力を加えるための手段を含み；
    （b）該回転および該ナットを通した該軸方向の該平行移動が、該超音波振動の任意の単一の振幅の振幅より大きい距離にわたって起きる、
    装置。
20. ねじ付きシャフトが、軸方向における荷重に動作的に接続されている、請求項19記載の装置。
21. 荷重が、レンズおよびセンサーを含み、軸方向における軸力が、該レンズ、該センサーおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される合焦要素を動かす、請求項20記載の装置。
22. ねじ付きシャフトの運動の大きさを測定するための手段をさらに含む、請求項19記載の装置。
23. 荷重がシリンジを含む、請求項19記載の装置。
24. ねじ付きシャフトが、近位および遠位末端を有し、該近位および該遠位末端双方がそれぞれ接線運動を限定する特徴を含む、請求項15記載の装置。

Images