(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動ボディを動かすための圧電性マイクロモータであって、
圧電性材料からなる少なくとも二つの薄い層から形成された平行六面体の形状を有するバイブレータであって、前記層は第１及び第２の同一の比較的大きな四角い主面を有し、前記主面は長い端面及び短い端面から規定され、前記層は積層され、かつ、主面を互いに接着されているバイブレータと；
前記少なくとも二つの層の面の各々に設けられた複数の電極と；
前記少なくとも二つの層の１以上の端面に配置され、ボディに対して付勢された接触領域と；
第１および第２の電源と、
前記複数の電極は、少なくとも一つの層の主面上にある単一の大電極と、少なくとも二つの層の主面上にある市松模様に配置された４つの四分の一電極とを含み、
前記第１の電源は、前記接触領域に縦振動を励起するために、少なくとも一つの層の主面上にある互いに接続された全ての四分の一電極に交流電圧を印加し、 
前記第２の電源は、前記接触領域に横振動を励起するために、少なくとも二つの層の第１の対角線上に配置された四分の一電極の第１の組に第１の交流電圧を印加し、第２の対角線上に配置された四分の一電極の第２の組に前記第１の交流電圧と同じ大きさで１８０°の位相差を有する第２の交流電圧を印加することを特徴とする、圧電性マイクロモータ。
【請求項２】
前記１以上の端面は前記層の短い端面である、請求項１の圧電性マイクロモータ。
【請求項３】
前記接触領域に配置された、前記ボディとの接触のための耐摩耗性要素を含む、請求項１又は２の圧電性マイクロモータ。
【請求項４】
前記第１および第２の電源は、偏心率が制御可能である楕円振動を前記バイブレータに励起するために、前記層の主面上に備える電極に交流電圧を印加する、請求項１から３のいずれか１項の圧電性マイクロモータ。
【請求項５】
前記第１および第２の電源は、さらに異なる層の対応する位置にある電極に同じ電圧を印可する、請求項１から４のいずれか１項の圧電性マイクロモータ。
【請求項６】
前記第１および第２の電源は、縦振動及び横振動を励起するのに用いる交流電圧の大きさを制御することで、前記層の面に平行な面内において、前記接触領域に種々の形及び振幅の振動運動を選択的に行わせる、請求項１から５のいずれか１項の圧電性マイクロモータ。
【請求項７】
前記第１および第２の電源は、縦振動及び横振動を励起するのに用いる交流電圧の位相を制御することで、前記層の面に平行な面内において、前記接触領域に種々の形の振動運動を選択的に行わせる、請求項１から５のいずれか１項の圧電性マイクロモータ。
【請求項８】
前記第１および第２の電源は、縦振動及び横振動を励起するのに用いる交流電圧の周波数を制御することで、前記層の面に平行な面内において、前記接触領域に種々の形の振動運動を選択的に行わせる、請求項１から５のいずれか１項の圧電性マイクロモータ。
【請求項９】
可動ボディを動かすための圧電性マイクロモータであって、
圧電性材料からなる少なくとも二つの薄い層から形成された平行六面体の形状を有するバイブレータであって、前記層は第１及び第２の同一の比較的大きな四角い主面を有し、前記主面は長い端面及び短い端面から規定され、前記層は積層され、かつ、主面を互いに接着されているバイブレータと；
前記少なくとも二つの層の面の各々に設けられた複数の電極と；
前記少なくとも二つの層の１以上の端面に配置され、ボディに対して付勢された接触領域と；
第１および第２の電源と、
前記複数の電極は、少なくとも一つの層の主面上にある単一の大電極と、少なくとも二つの層の主面上にある市松模様に配置された４つの四分の一電極とを含み、
前記第１の電源は、前記接触領域に縦振動を励起するために、少なくとも一つの層の互いに接続された全ての四分の一電極に交流電圧を印加し、 
前記第２の電源は、前記接触領域に、前記層の面に垂直な曲げ振動を励起するために、第１の層の第１の短部に沿った第１の組の四分の一電極および第２の層の前記第１の端部の反対に位置する第２の端部に沿った第２の組の四分の一電極に第１の交流電圧を印加し、前記第１の層の前記第２の短部に沿った第３の組の四分の一電極および前記第２の層の前記第１の端部に沿った第４の組の四分の一電極に前記第１の交流電圧と同じ大きさで１８０°の位相差を有する第２の交流電圧を印加することを特徴とする、圧電性マイクロモータ。
【請求項１０】
前記第１および第２の電源は、縦振動及び曲げ振動を励起するのに用いる交流電圧の大きさを制御することで、前記層の面に垂直な面内において、前記接触領域に種々の形及び振幅の振動運動を選択的に行わせる、請求項９の圧電性マイクロモータ。
【請求項１１】
前記第１および第２の電源は、縦振動及び曲げ振動を励起するのに用いる交流電圧の位相を制御することで、前記層の面に垂直な面内において、前記接触領域に種々の形の振動運動を選択的に行わせる、請求項９の圧電性マイクロモータ。
【請求項１２】
前記第１および第２の電源は、縦振動及び曲げ振動を励起するのに用いる交流電圧の周波数を制御することで、前記層の面に垂直な面内において、前記接触領域に種々の形の振動運動を選択的に行わせる、請求項９の圧電性マイクロモータ。
【請求項１３】
非圧電性材料からなる少なくとも一つの比較的薄い層を含み、前記層は、長い端部及び短い端部から形成された四角く大きな主面、並びに、比較的幅が狭い長い端面及び短い端面を有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の圧電性マイクロモータ。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの非圧電性層の前記端部の一つは、前記圧電性層の対応する端部の一つと実質的に長さが等しい、請求項１３の圧電性マイクロモータ。
【請求項１５】
前記一つの端部は、短い端部である、請求項１４の圧電性マイクロモータ。
【請求項１６】
前記少なくとも一つの非圧電性層の他の端部は、対応する前記圧電性層の他の端部よりわずかに長く、その結果、前記非圧電性層の少なくとも一つの端面が、前記圧電性層から突出する、請求項１４または１５の圧電性マイクロモータ。
【請求項１７】
前記他の端部は長い端部であり、前記非圧電性層の少なくとも一つの短い端面が前記圧電性層から突出する、請求項１６の圧電性マイクロモータ。
【請求項１８】
前記接触領域は、前記少なくとも一つの突出した端面の領域を含む、請求項１６または１７の圧電性マイクロモータ。
【請求項１９】
前記少なくとも一つの非圧電性層が金属から形成されている、請求項１４から１８のいずれか１項の圧電性マイクロモータ。
【請求項２０】
前記第１および第２の電源は、前記接触領域が配置されている端面の面内における選択された任意の方向に運動を起こすように前記電極に電圧を印可できる、請求項１から１９のいずれか１項に記載の圧電性マイクロモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、圧電性マイクロモータに関し、特に圧電性材料からなる層で形成された多層圧電性マイクロモータに関する。
【０００２】
［発明の背景］
機械の可動構成部分を駆動するための異なる形状及び特性の圧電性マイクロモータが当該分野でよく知られている。米国特許第5,616,980号（引用することによりここに導入される）には、可動ボディを駆動するための比較的大きな力を出力できる圧電性マイクロモータが記載されている。
【０００３】
圧電性マイクロモータは、短い側面及び長い側面と、大きく平行な主面とを有する薄く四角い圧電性平板を備える。大きな主面の一つは、その主面の実質的に全面を覆う単一の大電極を有する。他方の大きな主面は、市松模様に配置された４つの“四分の一”電極を有する。各四分の一電極は、実質的に表面の４分の１の全体を覆う。
【０００４】
可動ボディに運動を伝達するために、圧電性平板の短い端面の領域（以下では“接触領域”と呼ぶ）、すなわち、耐摩耗性突出部、がボディの表面領域に弾力を持って押圧される。電位差が四分の一電極と単一大電極との間にかけられ、平板と接触領域に楕円振動が生成される。平板の接触領域から短い端部に平行な方向に運動がボディに伝達される。典型的には、短い端部に沿った一方向へボディを動かすために、対角配置された四分の一電極の第１のペアの各四分の一電極に同じ電圧が印加される。“対角”電極の第２のペアにおける四分の一電極は浮かされているか接地されている。運動方向を逆にするためには、第２のペアの四分の一電極に電圧を印加し、第１のペアを浮かすか接地する。
【０００５】
四分の一電極の典型的な作動電圧は３０−５００ボルトの範囲であり、圧電性平板の形状、ボディの質量、及びボディを動かしたい速度に依存する。パテントの中では、３０mm×７．５mm×２−５mm厚の寸法を有するマイクロモータで可動ボディの速度が１５−３５０mm/secであると報告されている。この構造で異なる寸法を有するマイクロモータでより速い速度が可能である。
【０００６】
多くの場合、可動ボディを駆動するのに比較的大きな力を出力できる圧電性マイクロモータは、バッテリー駆動の装置の一部品として作動することを要求される。これらの装置は一般的に低電圧装置であるので、低作動電圧で、上記で引用した米国特許に記載されている圧電性マイクロモータにより提供されるパワーと移動速度とを提供できる圧電性マイクロモータがあれば有益であろう。
【０００７】
低電圧型の圧電性マイクロモータは、一般に、積層された圧電性材料から形成される。この種類の“多層”マイクロモータの多くは、前述した圧電性マイクロモータの力を伝達すること及びスピードを提供することができない。さらに、作動中に多層マイクロモータの中でたびたび剪断力が生じる。その剪断力は、マイクロモータの層をくっつけている接合部に応力を加える。これは、特に、マクロモータが、連結されている可動ボディを加速又は減速するときに起こる。剪断力は、接合部にダメージを与える傾向があり、多くの場合、マイクロモータの構造の劣化を加速させる。
【０００８】
３−１０ボルトの間の駆動電圧で作動する低電圧型の圧電性多層マイクロモータが、タイトルMultilayer Piezoelectric Motor Using the First Longitudinal and the Second Bending Vibrations（H. Saigoh 著、Jpn J. Appl. Phys, Vol. 34 (1995) Pt 1, No. 5B pp. 2760-2764）という記事に記載されている。その多層マイクロモータは、圧電性材料からなる４０の薄く四角い層を積層した長い平行六面体として形成されている。マイクロモータに楕円振動モードを励起するために電位差が層間に配置された電極に印加される。振動のエネルギーを伝達してボディを動かすために、マイクロモータがボディに押圧され、その結果、積層中の外側の層の一つにある２つの接触領域がボディに押圧される。マイクロモータの長手方向に平行な２方向にいずれかに運動が伝達される。マイクロモータは、４９グラムの重さのスライダーを２００mm/sの速度で動かすと報告されている。
【０００９】
Funakubo他に付与された米国特許第5,345,137号は、薄い圧電性平板を高く積層した多層圧電性マイクロモータを記載している。積層の高さは、高さに対し垂直な方向の寸法より相当大きい。マイクロモータを可動ボディに連結するための接触領域は、積層中で一番上の平板の主面に配置されている。運動は、高さに垂直な方向において可動素子に伝達される。このタイプの多層マイクロモータは、高速で比較的大きな力を出力できるが、積層中の平板を結合する接合部に大きな剪断力を加える。
【００１０】
短い応答時間で作動し、動かすボディの運動を正確に制御することが圧電性マイクロモータに一般に要求されるので、マイクロモータは、その接触領域がいつもボディに押圧されるように配置される。この結果、マイクロモータは“負荷をかけられた状態”、つまり、動かそうとするボディに連結された状態、で始動させられる。そのために、マイクロモータを始動し、ボディの運動を開始するのに、一般に、大きな“超過始動電圧”をマイクロモータに印加しなければならない。動き始め後、所望のボディの速度を維持するために、印加電圧を急いで相当低い電圧に下げなければならない。このために、ボディは、よく、制御不能な揺れをもって動き始める。さらに、マイクロモータのスイッチが入れられた後、ボディが動き始める時間に数ミリ秒程度のジッターが通常ある。
【００１１】
圧電性マイクロモータを用いてボディを第１の場所から動かして第２の場所に正確に位置決めしなければならない場合にも時として問題が生じる。ボディを直接第２の場所に移動し、正確に第２の場所に位置決めするように、ボディが第２の場所にアプローチしているときに、ボディの減速を十分な精度で制御することは一般に難しい。多くの場合、ボディは第２の場所を行き過ぎたり、届かなかったりする。ボディを正確に位置決めするには、ボディが十分な精度で第２の場所に位置決めされるまで、ボディを第２の場所の前後に“ジョッキー(jockey)”するようにマイクロモータが通常制御される。ジョッキーは定時間続き、“修正時間”（多くの場合数ミリ秒から数十ミリ秒続く）として知られている。
【００１２】
“スタートアップ”とボディの位置決めの間で動かすボディに伝達する運動を効果的に制御するハイパワー、低電圧の圧電性マイクロモータがあることが望まれている。
【００１３】
［発明の要約］
本発明にいくつかの好ましい実施形態における一態様は、低電圧で作動する改良されたハイパワー圧電性マイクロモータを提供することに関する。
【００１４】
本発明にいくつかの好ましい実施形態における一態様は、多層マイクロモータにおける層を互いに接着する接合部にかかる剪断力が大きく低減される多層圧電性マイクロモータを提供することに関する。
【００１５】
本発明にいくつかの好ましい実施形態における一態様は、少なくとも一つの層が非圧電性材料から形成される多層圧電性マイクロモータに関する。
【００１６】
本発明にいくつかの好ましい実施形態における態様は、可動ボディへの、スタートアップからそのボディの位置決めを行うまでのエネルギー伝達の割合を高度に制御できる圧電性マイクロモータを提供することに関する。
【００１７】
本発明にいくつかの好ましい実施形態における態様によれば、２つの直行する方向のいずれかにボディを動かすことができる圧電性マイクロモータが提供される。
【００１８】
本発明にいくつかの好ましい実施形態における一態様は、可動ボディに圧電性マイクロモータからのエネルギーが伝達される割合をスタートアップからボディを静止させるまで良好に制御できる圧電性マイクロモータの作動方法を提供することに関する。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、圧電性マイクロモータが平行六面体の形状を有する方形バイブレータを備える。バイブレータは、比較的幅が狭い短い端面及び長い端面と、比較的大きい主面を有する圧電性材料からなる薄く四角い複数の層から形成されている。層は位置を揃えられており、それらの主面に垂直に積み上げられており、当該分野で公知の方法で互いに接着されている。好ましくは、バイブレータ内で隣り合う層は反対方向に分極されている。好ましくは、電極が、バイブレータ内のすべての層の各主面に配置されている。マイクロモータを可動ボディと連結するための接触領域がバイブレータの端面に形成されており、好ましくは、層の短い端面から形成されている。もちろん、バイブレータのこの端面は、層の長手方向に対して垂直である。好ましくは、接触領域は、面に接着された耐摩耗“摩擦ナブ”である。本発明の好ましい実施形態によれば、接触領域の場所は、バイブレータの端面上であり、従来の多層マイクロモータにおける接触領域の場所と異なる。従来の多層圧電性マイクロモータにおける接触領域は、マイクロモータのバイブレータを形成するのに利用される積層部の最上層又は最下層の大きな主面上に配置されている。
【００２０】
層の主面上の電極に交流電圧を印可することで、バイブレータに共振が励起される。バイブレータの多層構造のおかげで、バイブレータに共振を励起するために必要な電圧の大きさが、バイブレータが圧電性材料の単一片から生産された場合に必要となるものより小さい。接触領域が、層の長い端部に垂直なバイブレータの端部に配置されているので、マイクロモータは、比較的高速で、可動ボディを駆動するための比較的大きな力を伝達できる。さらに、接触領域の場所のおかげで、マイクロモータがボディを加減速するときにバイブレータに作用する剪断力は、バイブレータ内の圧電性層間の接合部に応力をかけない。本発明の好ましい実施形態による多層マイクロモータは、それ故に、従来の多層マイクロモータよりも剪断力からダメージを受けにくい。
【００２１】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、電極が特定の伝電圧形態により電圧印可された場合に縦及び横の共振モードが同時にバイブレータに励起されるように、電極が層上に形成される。縦振動は層の長手方向に平行であり、横振動は層の寸法が短い方に平行である。縦及び横振動は、可動ボディに運動を伝達するのに利用される摩擦ナブに楕円振動を生成する。
【００２２】
本発明にいくつかの好ましい実施形態では、いくつかの層上の電極に特定の電圧形態が印可された場合に、実質的に縦振動のみが層内に、そしてそれ故にバイブレータ全体に励起されるように、電極がバイブレータの層上に形成される。他の層上の電極に特定の電圧形態が印可された場合、層内に、そしてそれ故にバイブレータ全体に、横振動のみが励起される。結果として、縦及び横の共振はバイブレータ内で分離されており、同時にも別個にも制御することができる。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態によれば、平板内で縦及び横の振動を独立に制御することで、摩擦ナブの運動、及び、圧電性マイクロモータが動かすボディへ伝達されるエネルギーの割合の制御が改善される。制御の改善は、特に、マイクロモータがボディを始動するとき、及び、ボディの位置決めを行うときに効果的である。
【００２４】
例えば、ボディを加速するためにマイクロモータに最初にスイッチが入れられたスタートアップのとき、好ましくは最初に縦モードが励起され、そして次に横モードが、好ましくは徐々に振幅を増大させながら、励起される。縦振動モードは、マイクロモータをボディに連結させたり切り離したりする。横振動モードは、縦モードがマイクロモータをボディに連結している間中にボディにエネルギーを伝達し、加速するモードである。横モードが励起されるまで、ボディを動かすことによる負荷はマイクロモータにかからない。本発明の好ましい実施形態によれば、縦モードが励起された後に、横モードを励起し、横モードの振幅を徐々に増大させることにより、モータにより徐々に負荷がかけられる。スタートアップは比較的スムーズであり、また、ボディが動き始める時間は比較的正確に制御可能である。
【００２５】
同様に、マイクロモータがボディをある場所に動かす移動速度は、ボディがその場所に近づいたときに、縦振動の振幅を実質的に一定に維持しながら、横振動の振幅を減少させることにより正確かつ徐々に減速できる。
【００２６】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、バイブレータ内の縦、横及び曲げの振動を互いに独立に励起及び制御できるような層上の電極形態及びバイブレータの特性が提供される。曲げ振動は、バイブレータ内の層の主面に垂直である。好ましくは、バイブレータは比較的薄い。つまり、バイブレータ内の層の面に垂直なバイブレータの寸法は層の長さ及び幅に比べて比較的小さい。このようなマイクロモータは、層の短い端部に平行、及び、層の主面に垂直な方向に沿った運動を提供できる。縦、横及び曲げの振動は結合していないので、本発明の好ましい実施形態によれば、マイクロモータがボディを動かすあらゆる方向において、連結されている可動ボディの動きをよりよく制御できる。
【００２７】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、バイブレータ内の各層の一方の主面が市松模様に配列された４つの四分の一電極と接触するように電極が構成されている。好ましくは、各四分の一電極は、それが接触している四分の一の領域の実質的に全てをカバーする。好ましくは、各層の他方の主面は、表面領域のほとんどをカバーする単一の大きな電極と接触する。この電極構成により、バイブレータ内の縦、横及び曲げ振動を互いに独立に励起し、制御する電圧形態を電極に印可できる。
【００２８】
縦、横及び／又は曲げの振動を互いに独立して制御することで、圧電性マイクロモータから可動ボディへのエネルギー伝達を正確に制御する本発明の好ましい実施形態による方法が、多層モータについて記載された。しかしながら、これらの方法は、縦振動を横及び／又は曲げ振動から独立して制御可能なあらゆる圧電性マイクロモータの制御に適用でき、また、有効である。
【００２９】
このように、本発明の好ましい実施形態によれば、可動要素を動かすための圧電性マイクロモータであって、圧電性材料からなる複数の薄い層から形成された平行六面体の形状を有するバイブレータであって、前記層は第１及び第２の同一の比較的大きな四角い主面を有し、前記主面は長い端面及び短い端面から規定され、前記層は積層され、かつ、主面を互いに接着されているバイブレータと；
前記層の面上にある電極と；
前記層の１以上の端面に配置され、ボディに対して押し付けられる接触領域と；
バイブレータに、そしてそれにより前記ボディに運動を伝達する前記接触領域に振動を励起するために電極に電圧を印加する少なくとも一つの電源と を備える圧電性マイクロモータが提供される。
【００３０】
好ましくは、前記１以上の端面は前記層の短い端面である。
好ましくは、マイクロモータは、前記接触領域に配置された、前記ボディとの接触のための耐摩耗性要素を含む。
本発明の好ましい実施形態では、マイクロモータは、偏心率が制御可能である楕円振動を前記バイブレータに励起するために、前記電源により交流電圧を印加できる電極を前記層の主面上に備える。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態において、マイクロモータは、
各層の第１の主面上にある単一の大電極と、
各層の第２の主面上にある４つの四分の一電極と
を備え
前記四分の一電極が市松模様に配置されている。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態において、マイクロモータは、
各層の第１の主面上にある単一の大電極と、
全部ではないが少なくとも一つの層の第２の主面上にある単一の大電極と、
少なくとも一つ層の第２の主面上にある４つの四分の一電極と
を備え、
前記四分の一電極は市松模様に配置されている。
【００３３】
好ましくは、少なくとも２つの隣接していない主面が四分の一電極を有する。
好ましくは、前記バイブレータに、そしてそれにより前記接触領域に縦振動を励起するために、前記少なくとも一つの電源が、同じ交流電圧で、全てではないが少なくとも一つの前記層の前記第２の主面上の全ての四分の一電極に電圧を印加し、前記縦振動は、前記接触領域が位置する前記層の前記端面に平行な振動である。
【００３４】
好ましくは、前記少なくとも一つの電源は、少なくとも一つの層において、対角線上に配置された四分の一電極の第１の組に第１の交流電圧を印加し、第２の対角線に沿っている四分の一電極の第２の組に第２の交流電圧を印加し、前記圧電性バイブレータに横振動を励起するように第１及び第２の交流電圧は同じ大きさで１８０°の位相差を有し、横振動は、前記接触領域が位置する前記層の前記端面に平行な振動である。好ましくは、前記少なくとも一つの層は複数の層であり、前記複数の層の異なる層の対応する位置にある電極に同じ電圧を印可する。好ましくは、前記少なくとも一つの電源は、縦振動及び横振動を励起するのに用いる交流電圧の大きさを制御することで、前記層の面に平行な面内において、前記接触領域に種々の形及び振幅の振動運動を選択的に行わせる。
【００３５】
好ましくは、前記少なくとも一つの電源は、縦振動及び横振動を励起するのに用いる交流電圧の位相を制御することで、前記層の面に平行な面内において、前記接触領域に種々の形の振動運動を選択的に行わせる。
【００３６】
好ましくは、前記少なくとも一つの電源は、縦振動及び横振動を励起するのに用いる交流電圧の周波数を制御することで、前記層の面に平行な面内において、前記接触領域に種々の形の振動運動を選択的に行わせる。
【００３７】
本発明の好ましい実施形態において、前記少なくとも一つの電源は、少なくとも一つの層において、前記層の第１の短部に沿った第１の組の電極と、第２の短部に沿った第２の組の四分の一電極とにそれぞれ１８０°位相が異なり大きさが等しい交流電圧を印可することで、圧電性バイブレータ内の層の面に垂直な曲げ振動を励起する。好ましくは、前記少なくとも一つの層は複数の層である。好ましくは、前記バイブレータの内側の主面の同一側に配置された層上の対応する位置の電極が同一位相で電圧を印加され、前記主面の反対側に配置された層上の対応する電極が１８０°の位相差で電圧を印加される。
【００３８】
本発明の好ましい実施形態において、前記少なくとも一つの電源は、縦振動及び曲げ振動を励起するのに用いる交流電圧の大きさを制御することで、前記層の面に垂直な面内において、前記接触領域に種々の形及び振幅の振動運動を選択的に行わせる。
【００３９】
好ましくは、前記少なくとも一つの電源は、縦振動及び曲げ振動を励起するのに用いる交流電圧の位相を制御することで、前記層の面に垂直な面内において、前記接触領域の種々の形の振動運動を選択的に行わせる。
【００４０】
好ましくは、前記少なくとも一つの電源は、縦振動及び横振動を励起するのに用いる交流電圧の周波数を制御することで、前記層の面に平行な面内において、前記接触領域に異なる形の振動運動を選択的に行わせる。前記バイブレータに楕円振動を励起するために、少なくとも一つの層において、前記少なくとも一つの電源が、前記層の第１の対角線に沿って配置されている一組の四分の一電極に交流電圧を印可し、前記層の第２の対角線に沿った一組の四分の一電極を接地又は浮かせる。好ましくは、前記少なくとも一つの層が複数の層であり、対応する位置にある電極が同じ交流電圧を印可される。好ましくは、前記楕円運動の偏心率を選択的に制御するために、前記少なくとも一つ電源が交流電圧の周波数を制御する。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態において、マイクロモータは、非圧電性材料からなる少なくとも一つの比較的薄い層を含み、前記層は、長い端部及び短い端部から形成された四角く大きな主面、並びに、比較的幅が狭い長い端面及び短い端面を有する。
【００４２】
好ましくは、前記少なくとも一つの非圧電性層の前記端部の一つは、前記圧電性層の対応する端部の一つと長さが等しい。好ましくは、前記一つの端部は、短い端部である。好ましくは、前記少なくとも一つの非圧電性層の他の端部は、対応する前記圧電性層の他の端部よりわずかに長く、その結果、前記非圧電性層の少なくとも一つの端面が、前記圧電性層から突出する。好ましくは、前記他の端部は長い端部であり、前記非圧電性層の少なくとも一つの短い端面が前記圧電性層から突出する。好ましくは、前記接触領域は、前記少なくとも一つの突出した端面の領域を含む。
【００４３】
本発明の好ましい実施形態において、前記少なくとも一つの非圧電性層が金属から形成されている。
【００４４】
本発明の好ましい実施形態において、前記電源は、前記接触領域が配置されている端面の面内における任意に選択された方向に運動を起こすように前記電極に電圧を印可できる。
【００４５】
本発明の好ましい実施形態によれば、さらに、可動ボディを静止状態から加速するための方法であって、
(i)圧電性マイクロモータを第１の方向から前記ボディに押しつけることで、圧電性マイクロモータの接触領域を前記ボディに加圧すること；
(ii)前記ボディが静止しており、前記圧電性マイクロモータが第２の方向に振動していない状態で、前記圧電性マイクロモータの前記接触領域に前記第１の方向の振動を励起すること；
(iii)その後、前記圧電性マイクロモータが前記接触領域において前記第１の方向に振動している状態で、前記第１の方向に垂直な前記第２の方向に前記接触領域の振動の振幅をゼロから所望の最大振幅へ徐々に増大させる、ことを含む方法が提供される。
【００４６】
好ましくは、前記第１の方向における前記振動は、前記圧電性マイクロモータ上の少なくともいくつかの第１の電極に第１の電圧印可を行うことで励起され、前記第２の方向の前記振動は、少なくともいくつかの第２の電極に電圧印可を行うことで励起され、前記第２の電極の少なくともいくつかは前記第１の組の電極と異なる。
【００４７】
本発明の好ましい実施形態では、前記圧電性マイクロモータは、少なくとも一つの圧電性層を含み、前記第１及び第２の電極は同一の層上にある。あるいは、前記圧電性マイクロモータは、複数の圧電性層を含み、前記第１及び第２の電極は異なる層状にある。本発明の好ましい実施形態では、前記第２の電圧印可を徐々に増大することで前記第２の方向における振幅を徐々に増大させる。
【００４８】
本発明の好ましい実施形態では、第１の周波数範囲内の電圧を前記圧電性マイクロモータに印可することで第１の方向の振動を励起し、前記第１の周波数範囲と部分的に重なる第２の周波数範囲内の電圧を前記圧電性マイクロモータに印可することで第２の方向の振動を励起する。好ましくは、(ii)を実行することには、前記第１の方向の振動のみが励起される周波数で電圧を印可することが含まれ；(iii)を実行することには、前記第１及び第２の両方向の振動が励起される周波数へ電圧の周波数を変えることが含まれる。
【００４９】
本発明の好ましい実施形態では、少なくとも一つの第１の電極を励起することで前記第１及び第２の方向における第１の振動が励起され、少なくとも一つの第２の電極を励起することで前記第１及び第２の方向における第２の振動が励起され、前記第２の方向における振動の位相は、前記第１及び第２の振動の間で実質的に１８０度の位相差を有する。好ましくは、(ii)を実行することは、前記少なくとも一つの第１の電極と前記少なくとも一つの第２の電極の双方を励起することで前記第２の方向における振動を打ち消すことを含み；(iii)を実行することは、前記第１及び第２の励起の一方を徐々に小さくすることを含む。好ましくは、前記圧電性マイクロモータは少なくとも一つの圧電性層を含み、前記第１及び第２の電極は同じ層上にある。あるいは、前記圧電性マイクロモータは複数の圧電性層を含み、前記第１及び第２の電極は、異なる層上にある。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態によれば、さらに、動かされている可動ボディを減速させる方法であって、圧電性マイクロモータを前記ボディに第１の方向に ことで、前記ボディに前記圧電性マイクロモータの接触領域を加圧し、前記第１の方向に垂直な第２の方向において、前記運動が前記第１及び第２の方向の前記接触領域における同調した振動の作用を受ける方法において、前記第１の方向において前記振動を維持しつつ、前記第２の方向において振幅を徐々に減少させることを含む方法が提供される。
【００５１】
好ましくは、前記圧電性マイクロモータの少なくともいくつかの第１の電極に第１の電圧印可を行うことで前記第１の方向における前記振動を励起し、少なくともいくつかの第２の電極に電圧印可を行うことで前記第２の方向における前記第２の振動を励起し、前記第２の電極の少なくともいくつかは前記第１の組の電極と異なる。好ましくは、前記第２の方向における振幅を徐々に減少させることには、前記第２の電圧印可の振幅を徐々に減少させることが含まれる。好ましくは、前記圧電性マイクロモータは少なくとも一つの圧電性層を含み、前記第１及び第２の電極は同一層上にある。あるいは、前記圧電性マイクロモータは複数の圧電性層を含み、前記第１及び第２の電極は異なる層上にある。
【００５２】
本発明の好ましい実施形態では、第１の周波数範囲内の電圧を前記圧電性マイクロモータに印可することにより前記第１の方向における振動が励起され、前記第１の周波数範囲と部分的に重なる第２の周波数範囲内の電圧を前記圧電モータに印可することにより前記第２の方向における振動を励起する。好ましくは、(i)を実行することは前記第１の方向における振動のみが励起される周波数に周波数を変えることを含む。
【００５３】
本発明の好ましい実施形態では、少なくとも一つの第１電極を励起することにより前記第１及び第２の方向における第１の振動が励起され、少なくとも一つの第２の電極を励起することにより前記第１及び第２の方向における第２の振動が励起され、第１及び第２の振動に関し、前記第２の方向における振動の位相は実質的に１８０度の位相差を有し、前記少なくとも一つの第１電極及び前記少なくとも一つの第２電極の一方のみを励起することに前記運動を起こす。好ましくは、(i)を実行することには、前記少なくとも一つの第１の電極及び前記少なくとも一つの第２の電極の両方を励起し、前記第２の方向における前記振動を打ち消すことを含む。好ましくは、前記圧電性マイクロモータは少なくとも一つの圧電性層を含み、前記第１及び第２の電極が同一層上にある。あるいは、圧電性マイクロモータが複数の圧電性層を含み、前記第１及び第２の電極は異なる層上にある。本発明は、下記の好ましい実施形態の説明を添付図面と合わせて参照することにより、より明確に理解されるであろう。図において、１以上の図面に現れる同一の構造、要素又は部品は、それらが現れる全ての図において同じ番号を付されている。
【００５４】
［好ましい実施形態の詳細］
図１Ａは、本発明の好ましい実施形態による、多層マイクロモータを構築するために使用される４つの薄い圧電性層２０、２２、２４及び２６の概略を示す。図１Ａにおける層２０、２２、２４及び２６の寸法、並びに、図１Ａ及び後述する図に示す素子及び形態は、説明の便利のために選択されており、必ずしも一定の比例関係にない。また、図１Ａにおいて４つの層としたことも単なる一例であり、４つ以外の数の層を有することができる本発明の好ましい実施形態を限定しようとするものではない。
【００５５】
層２０、２２、２４及び２６の各々は、比較的大きく、平行で、方形をした上面２８及び底面３０、２つの幅が狭く長い側面３２、及び２つの短い側面３４を有する。底面３０、長い側面３２の一つ、及び短い側面３４の一つは、図１Ａの斜視図では隠れている。隠れている底面３０のエッジ、及び底面３０上の電極は、層２６において、仮想線で示されている。好ましくは、全ての層２０、２２、２４及び２６が同じ寸法を有し、かつ、同じ圧電性材料から形成されている。好ましくは、各層２０、２２、２４、２６の圧電性材料が層の上面２８に垂直な方向に分極されている。好ましくは、隣り合う任意の２つの層における分極方向は互いに反対となっている。図１Ａにおける各層の分極方向は、層の最も左の角の近くにある２重線の矢印の方向によって示されている。
【００５６】
層２０は、好ましくは、上面２８に当業者に公知の方法で形成された４つの四分の一電極４１、４２、４３及び４４を有する。同様に、層２４は、好ましくは、その上面２８に４つの四分の一電極５１、５２、５３及び５４を有する。好ましくは、層２６は、仮想線で示された４つの四分の一電極６１、６２、６３及び６４をその底面３０に配置させている。好ましくは、四分の一電極の各々は、電極と電気的に接触を得るための接続タブ７０を有する。各電極の接続タブ７０は電極の胴部から延びており、好ましくは、電極が配置されている層の長い側面３２の領域を覆うように延びている。
【００５７】
好ましくは、層２２は、その上面２８に形成された単一の大電極６６を有する。好ましくは、層２６は、その上面２８に形成された単一の大電極６８を有する。電極６６及び６８の各々は、好ましくは、それが配置されている層の長い側面３２の領域を覆う接触タブ７０を有する。
【００５８】
層２０、２２、２４及び２６は、図１Ａに示されている順に、位置を揃えて上に積まれた状態で、当該分野で公知のプロセスにより互いに接着され、図１Ｂに示されている本発明の好ましい実施形態による圧電性多層マイクロモータ８０を形成する。
【００５９】
層２０、２２、２４及び２６は、圧電性マイクロモータ８０が比較的薄い方形の平板に形成されるような寸法を有する。マイクロモータ８０は、比較的大きな上面８２及び底面８４、長い側面８６、及び短い側面８８及び８９を有する。図１Ｂ、２Ａ、２Ｂ及び２Ｄにおいて後述する方向は、ｘ及びｙ軸がそれぞれ短い側面８８及び長い側面８６に平行であり、ｚ軸が上面８２に垂直である座標系１００に基づいて定義される。
【００６０】
好ましくは、マイクロモータ８０の寸法と、層２０、２２、２４及び２６が形成される圧電性材料とは、マイクロモータ８０の少なくとも一つの低次の縦共振モード及び少なくとも一つの低次の横共振モードが、少なくとも部分的に重なる励起曲線を有するように選択される。好ましくは、マイクロモータ８０は、低次の縦共振モードの励起曲線と重なる励起曲線を有する少なくとも一つの低次の曲げ共振モードをも有する。縦及び横振動モードは、短い端面８４及び長い端面８６にそれぞれ垂直である（つまり、それらはｙ及びｘ軸にそれぞれ平行である）。曲げ振動モードは、主面８２及び８４に垂直である（つまり、ｚ軸に平行である）。
【００６１】
好ましくは、マイクロモータ８０が動かすボディにマイクロモータ８０を連結するための耐摩耗性摩擦ナブ９０が、当該分野で公知の方法により短い側面８８に接着されている。マイクロモータ８０における横及び縦振動が摩擦ナブ９０をそれぞれｘ軸及びｙ軸に平行に動かす。曲げ振動は、摩擦ナブ９０をｚ軸に平行に動かす。
【００６２】
図２Ａ−２Ｃは、本発明の好ましい実施形態による、図１Ｂに示されたマイクロモータ８０に振動を励起する種々の方法を概略的に図示している。
【００６３】
図１Ａで示した接続タブ７０は、説明の明確のために、それらが一部となっている四分の一電極と同じ番号を付されて図２Ａ−２Ｃに示されている。図１Ａで示した層２０、２２、２４及び２６上の種々の電極の間の電気的な接続は、図２Ａ−２Ｃにおいて、それらの各々の接続タブの間の接続により、及び上面８２上の四分の一電極の間の接続により示されている。図２Ａ−２Ｃにおいて、長い端面８６は、一つのみ示されている。示されていない長い側面８６上の電極の接続タブ間の電気的な接続は、示されている長い側面８６上の電極の接続タブ間の電気的な接続と同じである。
【００６４】
図２Ａにおいて、マイクロモータ８０は可動ボディ１０２に連結されている。矢印１０４により表された弾性力が短い端面８９に加圧され、摩擦ナブ９０がボディ１０２に接触するようにマイクロモータ８０をボディ１０２の方へ押す。マイクロモータ８０の同じ角、及び、マイクロモータ８０の対角線上反対側の角に沿った全ての四分の一電極が互いに電気的に接続されている。図２Ａでは、四分の一電極４１、５１及び６１、並びに、４２、５２及び６２の間の接続が示されている。電極４３と、電極４３の下にある電極５３及び６３（図１Ａ参照）との間、及び、電極４４と、電極４４の下にある電極５４及び６４（図１Ａ参照）との間の接続は示されていない。マイクロモータ８０の対角線上反対側の角に配置された四分の一電極間の接続は、四分の一電極４１及び４３の間と、四分の一電極４２及び４４の間の対角線上の接続で示されている。電極４１及び４３に接続された対角線上に配置された四分の一電極は、合わせて“対角電極４１−４３”と呼ぶ。同様に、四分の一電極４２及び４４に接続された四分の一電極は、合わせて“対角電極４２−４４”と呼ぶ。層２４及び２８上の大電極６６及び８８は接続されており、好ましくは接地されている。大電極６６及び８８は、合わせて「グランド電極」と呼ぶ。
【００６５】
対角電極４１−４３に交流電圧を印加し、対角電極４２−４４を浮かせる又は接地することにより、縦及び横の共振を同時にマイクロモータ８０内に励起することができる。図２Ａでは、対角電極４２−４４が接地されており、対角電極４１−４３が交流電圧源Ｖに接続されている。振動により、ボディ１０２をｘの正方向に動かすｘｙ面内の反時計回りの楕円運動を摩擦ナブ９０が行う。楕円１０６が摩擦ナブ９０の運動を概略的に表しており、矢印１０８の方向が楕円１０６の回りの時計方向を示している。対角電極４２−４４に電圧を印加し、対角電極４１−４３を浮かせることにより、摩擦ナブ９０が楕円１０６を時計方向（矢印１０８により示される方向）に移動し、ボディ１０２をｘの負の方向へ動かす。
【００６６】
図２Ａに示したマイクロモータ８０の作動方法は、マイクロモータ８０がボディ１０２を動かすための比較的大きな力を出力すること、ボディ０１２を比較的高速に動かすことを可能にする。さらに、マイクロモータ８０を作動させるために必要とされる電圧は、マイクロモータ８０が圧電性材料の単一片から生産された場合に必要とされるであろう電圧よりも非常に小さい。しかしながら、マイクロモータ８０を作動させるこの方法では、マイクロモータ８０の縦及び横の共振を互いに独立に励起及び制御できない。前述のように対角電極４１−４３又は４２−４４に交流電圧を印加すると、マイクロモータ８０に縦及び横振動モードが同時に励起される。一定周波数の交流印加電圧に対する縦及び横振動モードの振幅比は実質的に一定である。印加電圧の大きさの増減は、縦振動及び横振動双方の振幅を増減させる。
【００６７】
マイクロモータ８０がボディ１０２をｘ軸に沿って加速及び減速し、また、層２０−２６がｘｙ平面に平行であることから、マイクロモータ８０の層間の接合部に応力を加える剪断力は存在しない。これは、マイクロモータによって動かされるボディが、マイクロモータの層に平行な面に連結される先行技術における多層マイクロモータと異なる。これら従来のマイクロモータでは、ボディが動くことによるボディの慣性に起因する剪断力の全てが多層マイクロモータの層間の接合部に応力を加える。本発明の好ましい実施形態による多層マイクロモータは、それ故に、従来のマイクロモータよりも剪断力によるダメージを受けにくい。
【００６８】
図２Ｂは、縦及び横の振動モードを互いに独立に制御できるマイクロモータ８０の作動方法を概略的に図示している。
【００６９】
図２Ｂでは、層２２及び２４の間に配置されている全ての四分の一電極５１、５２、５３及び５４が、好ましくは、互いに電気的に接続されている（四分の一電極５３及び５４は図２Ｂに示されていない）。これは結果として以下、“電極５１−５４”と呼ぶ単一の大電極を層２２及び２４の間に作ることになる。電極５１−５４は交流電源Ｖ１によりドライブされる。Ｖ１が電極５１−５４に交流電圧を印加すると、層２２及び２４に電界が生成され、その電界がこれらの層に、ひいてはマイクロモータ８０に、実質的に縦振動（つまり、ｙ方向の振動）のみを励起する。Ｖ１の電圧の大きさが、縦振動の振幅を制御する。
【００７０】
四分の一電極４１、４３、６１及び６３（四分の一電極６３は示されていない）は、好ましくは互いに接続されており、合わせて“対角電極４１−６３”と呼ぶ。なお、図２Ｂの対角電極４１−６３は、図２Ａで定義した対角電極４１−４３とは異なる。図２Ａにおいて対角電極４１−４３は、図２Ｂで定義された対角電極４１−６３に含まれていない四分の一電極５１及び５３を含んでいる。同様に、四分の一電極４２、４４、６２及び６４（不図示）が好ましくは互いに接続されており、合わせて“対角電極４２−６４”と呼ぶ。対角電極４１−６３及び対角電極４２−６４は、好ましくはバランス型交流電源Ｖ２に接続されており、電源Ｖ２において“＋”、“−”及び接地記号で示すように、１８０°の位相差でドライブされる。Ｖ２が対角電極４１−４３及び４２−４４に電圧を印加すると、電界が層２０及び２６に生成される。これらの電界は、層２０及び２６に、またそれ故にマイクロモータ８０に、実質的に横（つまり、ｙ方向）振動のみを励起する。横振動の振幅の大きさは、Ｖ２の電圧の大きさで制御される。
【００７１】
縦振動及び横振動を互いに独立して励起し、また制御することにより、摩擦ナブ９０を種々の異なる形態の運動を行うように制御でき、かつ、これらの運動を精密に制御することができる。
【００７２】
例えば、マイクロモータ８０に縦振動のみが励起された場合、摩擦ナブ９０は、実質的にｙ軸に沿った直線振動運動のみを行う。その運動は２重矢印１２０によって示されている。横振動のみが励起された場合、摩擦ナブ９０は実質的にｘ軸に平行な直線振動運動のみを行う。その運動は２重矢印１２２によって示されている。縦振動及び横振動の振幅比、及びそれらの間の位相差を制御することにより、摩擦ナブ９０に異なる偏心率及び向きの楕円運動を生成できる。例えば、楕円１２４で表される楕円運動では、ｙ軸に沿ってよりもｘ軸に沿っての方が振幅が大きい。楕円１２６では、状態が逆であり、ｙ軸に沿った運動の振幅がｘ軸に沿った運動の振幅よりずっと大きい。また、楕円１２６の偏心率は１２４のそれと異なる。楕円１２６と合同である楕円１２８によって表される運動では、楕円１２８が楕円１２６に対して回転するように縦振動と横振動との間の位相が調整される。見やすいように、各楕円に長軸と短軸が示されている。
【００７３】
上記運動例では、縦及び横振動モードの双方が実質的に同じ周波数を有すると仮定している。摩擦ナブ９０の運動形態をより複雑にすることも可能である。例えばＶ２は、Ｖ１により励起された縦振動モードの周波数の２倍の周波数を有する横振動モードをマイクロモータ８０に励起するような交流電圧を印加することができる。その結果、摩擦ナブ９０の運動の軌道は８の字１３０となる。
【００７４】
上記議論から分かるように、本発明の好ましい実施形態に従い、図２Ｂに示すように作動させられたマイクロモータ８０は、動かすボディにゆっくり、かつ、円滑に係合するように制御できる。マイクロモータ８０は、ボディの動きを高度に制御することもでき、ボディが減速されているときに動き、所望の位置にボディが正確に位置決めされるようにボディを停止させる。
【００７５】
図２Ｃは、マイクロモータ８０が動かすボディを円滑かつ正確に“始動”させ、また“停止”させるために、如何にしてマイクロモータ８０における縦及び横振動を制御するかについての、本発明の好ましい実施形態による一例を概略的に図示するグラフ２００を示す。グラフ２００では、マイクロモータ８０がボディを、静止している第１の場所から加速して第２の場所に静止させるときの、マイクロモータ８０における縦及び横振動の振幅を時間の関数として示している。実線による曲線２０２は縦振動の振幅を図示しており、点線による曲線２０４は横振動の振幅を図示している。
【００７６】
時間Ｔ１では、ボディが第１の場所にあり、マイクロモータ８０の電極に電源Ｖ１から電圧が印可され、マイクロモータ８０に縦振動が励起される。グラフ２００により示された例では、Ｖ１により印加された電圧が、短い上昇時間で所望の最大値に増加し、その後、一定時間平坦に維持されるように制御される。よって、縦振動は、所望の一定の作動振幅“ＡＬ”（曲線２０２の平坦部２０６の高さで示されている）に迅速に達する。時間Ｔ１、及びマイクロモータ８０に縦振動のみが励起されている限り、マイクロモータ８０によりボディへ運動が伝達されることはなく、ボディは動かず、また、マイクロモータ８０はボディから負荷をかけられることなく作動する。
【００７７】
縦振動がその所望の振幅に達した後、時間Ｔ２において、電源Ｖ２が入力されてマイクロモータ８０の電極に電圧を印可し、マイクロモータ８０に横振動を励起する。Ｖ２が電極に印加する電圧値は、好ましくは、Ｔ２におけるゼロから時間Ｔ３に達成される所望の最大値まで比較的ゆっくりと増大される。曲線２０４によって図示された横振動の振幅は、Ｖ２の電圧に追従し、同様に、時間Ｔ２のゼロから時間Ｔ３の最大横振幅“ＡＴ”まで比較的ゆっくりと増大する。
【００７８】
時間Ｔ２における横振動の開始に伴い、ボディは、第１の場所から第２の場所へ向けて加速され始める。時間Ｔ３でボディは加速をやめ、第２の場所に向けて一定の移動速度で動く。縦振動が一定である期間中、マイクロモータ８０がボディに運動を伝達するステップサイズは、横振動に実質的に比例し、かつ、制御される。結果として、時間Ｔ２とＴ３の間のボディの加速は、時間Ｔ２とＴ３の間の曲線２０４の時間微分に実質的に比例し、かつ、移動速度の大きさは、実質的にＡＴに比例する。ボディは、円滑で正確に制御された動きで第１の場所から動き去る。
【００７９】
時間Ｔ４にボディは第２の場所の近くの位置に達し、Ｖ２から印加される電圧は、好ましくは、時間Ｔ５に実質的にゼロに等しくなるように比較的ゆっくりと減少し始めるように制御される。これに応じて、横振幅がＡＴからゼロへ時間Ｔ４とＴ５の間に減少する。横振幅が減少すると、ステップサイズが減少し、時間Ｔ５に実質的に静止し、かつ第２の場所に配置されるようにボディがその移動速度からゆっくり、かつ正確に減速する。ボディの第２の場所への位置決めに続いて、Ｖ１により印加される縦電圧が、好ましくはゼロまで下げられ、その結果、時間Ｔ６に縦振動が止まる。
【００８０】
本発明の好ましい実施形態の上記の例では、マイクロモータ８０により動かされるボディの加速及び減速の割合は、実質的に横振動によってのみ制御されている。しかしながら、縦振動の振幅は、各縦振動サイクル中に、マイクロモータ８０がボディに連結されている時間の長さを制御するのに利用できる。結果として、横振動の振幅と同様に縦振動の振幅をマイクロモータのステップサイズ、そしてそれによりボディの過減速の制御に利用できる。このために、本発明のいくつかの好ましい実施形態では、可動ボディにマイクロモータ８０から伝達される動きを正確に制御するために、動き始めから止まるまでの間、縦振動及び横振動の双方が時間と共に変化させられる。
【００８１】
例えば、本発明の好ましい実施形態によれば、ボディの“始動時”に縦振動を開始してもよく、そして、その振幅は、図２Ｃに示したように瞬時に増加させる代わり、中くらいの割合で作動振幅まで増大させてもよい。縦振動が増大する間に、横振動が開始され、かつ増大されると、マイクロモータ８０のステップサイズが、またそれ故にボディの加速が、縦振動及び横振動双方の増大の割合により制御されることとなる。
【００８２】
本発明の好ましい実施形態による、動きを正確に制御するための、縦及び横振動を制御する他のシナリオ、及び説明したシナリオの変形が可能であり、かつ効果的であり得る。これらの変形及び他のシナリオを当業者は思いつくであろう。
【００８３】
図２Ｄは、マイクロモータ８０に縦振動及び曲げ振動を互いに独立に励起かつ制御するために利用されるマイクロモータ８０の作動方法を概略的に図示している。
【００８４】
図２Ｂと同様に、図２Ｄにおける大電極６６及び６８が接続かつ接地されており、また、四分の一電極５１、５２、５３（不図示）及び５４（不図示）が電極５１−５４を形成するために互いに接続されている。電極５１−５４は交流電源Ｖ１に接続され、マイクロモータ８０に縦振動を励起するのに利用される。層２０上の四分の一電極４１、４４、及び四分の一電極６２及び６３（四分の一電極６３は示されておらず、四分の一電極４３の下方の層２６上に配置されている）が接続されている。これらの電極は、合わせて“クロス電極４１−６２”と呼ぶ。同様に四分の一電極４２、４３、６１及び６４（不図示であり、電極４４の下方にある）が互いに接続されており、合わせて“クロス電極４２−６１”と呼ぶ。
【００８５】
クロス電極４１−６２及び４２−６１は交流電源Ｖ２に接続されており、１８０°の位相差でドライブされる。結果として、四分の一電極４１及び４４の下にある層２０の材料が収縮するとき、四分の一電極４２及び４３の下にある層２０の材料は膨脹し、四分の一電極６１及び６４（電極４１及び４４の下方にある）の上にある層２６の材料は膨脹し、四分の一電極６２及び６３（電極４２及び４３の下方にある）の上にある層２６の材料は収縮する。収縮及び膨脹はマイクロモータ８０をｚ方向において曲げて“Ｓ”形状にし、マイクロモータ８０に実質的に曲げ振動のみを生成する。電源Ｖ２のみがマイクロモータ８０を励起した場合、摩擦ナブ９０は、ｚ方向に実質的に直線上の振動運動を行う。その直線運動は２重矢印１３２により表されている。縦振動及び曲げ振動を組み合わせることにより、図２Ｂの議論で説明したように縦振動及び横振動が組み合わされた場合にｘｙ面内での摩擦ナブ９０が行う運動と類似の運動をｙｚ面内で行うように摩擦ナブ９０を制御できる。このような運動のいくつかが楕円１３４、１３６及び１３８により概略的に表されている。
【００８６】
なお、全て接続がハード配線として図２Ａ−２Ｄに示されているが、好ましい実施形態では、各電極が個別に接続盤に接続されている。接続盤は、好ましくは、複数のスイッチ及びスイッチモードを備え、システムは、ｘ及びｚ方向の運動の任意の組合せが達成されるように複数の電圧源を備える。
【００８７】
本発明の好ましい実施形態によれば、異なる層の数及び異なる電極形態からなる他のマイクロモータを形成することができる。さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、マイクロモータの異なる層が、異なる厚みを有することができ、また、異なる材料から形成することができる。
【００８８】
例えば、図３は、本発明の好ましい実施形態による、２つの薄い方形の圧電性層１４２及び１４４から形成されたマイクロモータ１４０を示している。図３の斜視図において隠れているマイクロモータ１４０の特徴であって、マイクロモータ１４０の明確な議論にとって適切なものは仮想線で示されている。マイクロモータ１４０は、比較的大きな上面１４６及び下面１４８を有し、また、好ましくは、短い端面１５２に配置された摩擦ナブ１５０を有する。
【００８９】
４つの四分の一電極１６１、１６２、１６３及び１６４が、好ましくは、上面１４６に配置されている。単一の大電極１６６が好ましくは底面１４８に配置されている。単一の大電極１６８が好ましくは層１４２及び１４４の間に配置されている。
【００９０】
マイクロモータ１４０に振動を励起する場合、好ましくは、電極１６８を接地する。底面１４８上の電極１６６に印加された交流電圧が、ｙ方向に沿った縦振動を層１４４に、そしてそれによりマイクロモータ１４０に励起する。四分の一電極は前述したように対角線上に接続され、かつ電圧を印可されてｘ方向の横振動を層１４２に、そしてそれによりマイクロモータ１４０に励起する。
【００９１】
本発明の好ましい実施形態によれば、マイクロモータ１４０にｚ方向に沿った曲げ振動を生成するために、電極１６１と１６４が互いに電気的に接続され、かつ、四分の一電極１６２と１６３とが互いに電気的に接続される。次に、電極ペア１６１−１６４及び電極ペア１６２−１６３が１８０°の位相差で交流電源により電圧を印可される。本発明の好ましい実施形態によれば、四分の一電極１６１、１６２、１６３及び１６４を全て互いに電気的に接続することにより曲げ振動もマイクロモータ１４０内に生成される。層１４２が膨脹及ぶ収縮するときに、層１４４がそれぞれ収縮及び膨脹をするように、接続された四分の一電極及び電極１６６に交流電圧が印加される。
【００９２】
さらに、図２Ａ−２Ｄ及び３は直角方向における運動のみを説明しているが、ｘｚ面内における任意の方向の運動もまた可能であることが理解されるべきである。これは、いろいろな構成で行うことができる。一つの方法では、電極１４８に対面する固体電極と、マイクロモータの外側を向いた四分の一電極とを備えた別の圧電性板が、図３の構成の底部に付加される。次に、図３に示された電極は、前述したようにｘ方向の運動を起こすように構成され、また、付加された板の四分の一電極は、これも前述したように、ｚ方向の運動を起こすように構成される。
【００９３】
２組の四分の一電極の励起レベルが次にｘｚ面内の運動の最終的な方向を決める。この方向は、完全にｚ方向である状態から完全にｘ方向である状態まで連続的に調整できる。２つの図３のモータをそれらの面１４８において互いにくっつけることも可能である。モータの一つがｘ方向の運動用に励起され、一つがｚ方向の運動用に励起される。その最終的な結果は、２つの励起を制御することにより角度を制御できるｘ−ｚ面内の運動である。
【００９４】
本発明の好ましい実施形態による、縦振動及び横又は曲げ振動を独立して制御できる多層マイクロモータについて、マイクロモータにより可動ボディに伝達する運動を正確に制御する方法を説明した。同様の方法を任意の圧電性マイクロモータ（縦振動及び横又は曲げ振動を独立に制御できる単層マイクロモータを含む）に適用することができる。
【００９５】
図４Ａ及ぶ４Ｂは、単ブロックマイクロモータ２１０及び２１２をそれぞれ示している。単ブロックマイクロモータ２１０及び２１２は、横振動及び縦振動を独立して制御できる単層マイクロモータの一例である。これらのマイクロモータは、先に引用した米国特許第5,616,980号に示され、かつ説明されている。当該分野では、縦振動及び横振動を独立して制御できる他の単層マイクロモータも公知である。図４Ａ及ぶ４Ｂに示したマイクロモータに関連する方向は、座標系１００に基づいている。マイクロモータにおける縦振動はｙ軸に平行であり、横振動はｘ軸に平行である。
【００９６】
図４Ａ及び４Ｂの各々において、示されているマイクロモータの縦振動は、“Ｌ”を付されている電極により制御され、横振動は“Ｔ”を付されている電極により制御される。Ｌ電極及びＴ電極はマイクロモータの第１の主面２１４に配置されている。第１の主面に平行な第２の主面（不図示）は、単一の大きなグランド電極（不図示）を有する。Ｔ電極は、“対角線上の構成”で接続かつ制御され、横振動を励起する。これらのマイクロモータの各々により伝達される運動の精密な制御は、本発明の好ましい実施形態による多層マイクロモータについて前述したように、縦及び横振動の振幅及び位相を制御することで行える。
【００９７】
図５は、第１の主面２３６に配置された４つの四分の一電極２３１、２３２、２３３及び２３４を有する、米国特許第5,616,980号に記載のマイクロモータ２３０を示している。第１の主面２３６に平行な第２の主面（不図示）は、大きなグランド電極（不図示）を有する。マイクロモータ２３０に関連する方向は、座標系１００に基づいている。
【００９８】
マイクロモータ２３０は、マイクロモータ内の縦振動又は横振動のみを制御するための専用電極を別個に持たない。しかし、本発明の好ましい実施形態によれば、マイクロモータ２３０の電極には、前述した精密な運動制御を行うように電圧を印加できる。例えば、本発明の好ましい実施形態では、対角線上の電極ペア２３１−２３３及び２３２−２３４は、それぞれ電圧源Ｖ１及びＶ２により独立して電圧を印加される。ボディを動かし始めるとき、Ｖ１及びＶ２は、好ましくは、それらの出力電圧の位相が揃い、かつ大きさが同じである状態で作動される。結果として、マイクロモータ２３０に縦振動のみが励起される。モータが縦に振動している間に、Ｖ１及びＶ２の出力電圧間で位相を変えることにより、及び／又は出力電圧間の比を変えることにより、横振動が励起され、その振幅がゆっくりと増大される。
【００９９】
本発明の他の好ましい実施形態では、マイクロモータの電極に印加する交流電圧の周波数を制御することにより、マイクロモータの縦及び横又は曲げの共振が独立して制御し、運動を精密に制御をする。圧電性マイクロモータにおいて縦及び横又は曲げの共振の励起曲線が完全には重ならないことが一般的によく知られている。結果として、マイクロモータの電極に印加される電圧の周波数を制御することによりいずれの共振を励起するかを制御することが一般的に可能である。
【０１００】
例えば、上記のマイクロモータにおいて、対角電極のひとつのグループに交流電圧を印加し、他の全ての対角電極を接地する又は浮かせることにより、縦振動及び横振動の双方を励起することができる。しかしながら、エネルギーが縦共振及び横共振の各々と結合する効率は、印加電圧の周波数に依存する。いくつかの周波数では、実質的に縦振動及び横振動の一方又は他方のみが励起される。他の周波数では、両方の共振が効率的に励起される。したがって、実質的に縦振動のみが共振する周波数で対角電極のグループに電圧を印加することが可能である。印加している交流電圧の周波数を縦及び横共振の励起曲線が重なる周波数へシフトすることにより、エネルギーが未だに縦共振とカップリングされている状態で、横共振を励起することができる。
【０１０１】
図１Ａ−３に示した多層マイクロモータにおいて、全ての層は圧電性の層である。本発明の好ましい実施形態による、直交する２方向において動きの精密制御ができる多層マイクロモータは、少なくともひとつの層が非圧電性層から形成されたものとして作ることができる。非圧電性材料の特性は、多層モータにおいて所望の品質、例えば高い機械的一体性、所望のＱ値又は特定の共振周波数、が得られるように選択できる。
【０１０２】
例えば、表面領域に耐摩耗性摩擦ナブを接着しているマイクロモータは、摩擦ナブが接着されている表面領域の近くで壊れる傾向がある。摩擦ナブが、本発明の好ましい実施形態に従い、多層マイクロモータの端面（この端面は多層マイクロモータにおける複数の層の端面から形成されている）に接着された場合に壊れる傾向がときとして強くなる。さらに、摩擦ナブと端面（マイクロモータの層の位置が揃えられた複数の端面から形成されている）との間に弾力のある強固な接合を作ることは難しいであろう。例えばスチールのように対摩耗性材料から形成された層を多層マイクロモータ中に備えれば、その耐摩耗性層の端面が摩擦ナブの代わりに機能することができる。耐摩耗性摩擦ナブをマイクロモータに接合することが不要になり、また、多層マイクロモータの機械的一体性が向上する。摩擦ナブを有するマイクロモータが受けやすい故障をマイクロモータは受けにくくなる。
【０１０３】
図６は、非圧電性材料からなる薄く四角い層１８６を挟む２つの薄く四角い圧電性層１８２から形成される圧電性マイクロモータ１８０を示している。好ましくは、非圧電性層１８６は、圧電層１８２又は１８４の一方の厚みと実質的に同じ厚みを有する。典型的には、全ての層１８２、１８４及び１８６が厚み１００ミクロンから約２ｍｍまでの範囲内の同じ厚みを有する。好ましくは、層１８２及び１８４は、それらの大きな主面に垂直で反対の方向に分極されている。層１８２及び１８４の分極方向は、２重矢印で示されている。
【０１０４】
圧電性層１８２は、比較的大きな主面１８８を有し、その上には好ましくは４つの四分の一電極が配置されている。好ましくは、圧電性層１８４は、圧電性層１８２の鏡像である。好ましくは、非圧電性層１８６は、スチールのような耐摩耗性金属から形成されている。好ましくは、金属層１８６は圧電性層１８２及び１８４より僅かに長く、その結果、金属層１８６の短い端面１９２の少なくともひとつが圧電性層１８２及び１８４を越えて突出する。金属層１８６は、好ましくは接地板として機能する。
【０１０５】
前述した方法を利用して、圧電性板１８２及び１８４上の四分の一電極１９０に電圧印加することにより金属層１８６に縦、横及び曲げ振動が励起される。ボディの表面領域に層１８６の短い端面１９２を弾力を持って押圧することにより可動ボディに圧電性マイクロモータ１８０からエネルギーが伝達される。
【０１０６】
その一つが非圧電性層である３層の圧電性マイクロモータ１８０を示したが、本発明の好ましい実施形態によれば、多層圧電性マイクロモータは、圧電性層の間に挟み込まれた複数の薄い非圧電性層を備えるように、又は非圧電性層一つに２以上の圧電性層を備えるように構成してもよい。
【０１０７】
本発明の請求項の記載において、“備える”、“含む”及び“有する”、並びにそれらと等価な動詞の各々は、その動詞の目的語が必ずしもその動詞の主語の構成部分、要素又は部品の完全なリストでないこと示すために使用されている。
【０１０８】
本発明は、一例であり、発明の範囲を制限しない好ましい実施形態の非制限的な詳細を用いて説明された。当業者は、説明した実施形態の変形例を思いつくであろう。発明の範囲は、下記のクレームによってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａ及び１Ｂは、それぞれ、本発明の好ましい実施形態による、圧電性多層マイクロモータを構成するために使用する圧電性材料の層、及び、その層から構成された多層マイクロモータを概略的に示す。
【図２】 図２Ａ−２Ｄは、本発明の好ましい実施形態による、マイクロモータに種々の振動モードを生成するために図１Ｂに示したマイクロモータの電極に電圧を印加する種々の方法、及び可動ボディをスムーズに加減速させるためのマイクロモータの振動の制御方法を概略的に示す。
【図３】 図３は、本発明の好ましい実施形態による、２つの圧電性層を備える圧電性マイクロモータを概略的に示す。
【図４】 図４Ａ及び４Ｂは、本発明の好ましい実施形態による、マイクロモータにおける縦振動及び横振動を互いに独立に制御することによりモータを精密に制御できる単一層圧電性マイクロモータを概略的に示す。
【図５】 図５は、本発明の好ましい実施形態による方法を利用することにより精密な運動制御を提供するように制御可能な他の単一層圧電性マイクロモータを概略的に示す。
【図６】 図６は、本発明の好ましい実施形態による、２つの圧電性層と、一つの非圧電性材料からなる層とを備える圧電性マイクロモータを概略的に示す。
【符号の説明】
２０、２２、２４、２６  圧電性層
４１、４２、４３、４４  四分の一電極
５１、５２、５３、５４  四分の一電極
６１、６２、６３、６４  四分の一電極
６６  大電極
９０  耐摩耗性摩擦ナブ
１０２  可動ボディ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
0004813708.tif 000007
【図３】
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【図４Ａ】
0004813708.tif 000009
【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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