(57)【要約】ロードを動かして位置決めする為の圧電モータであり、複数の電極と、ロードに押し当てられる連結面とを有した圧電振動子と、少なくとも一の振動子の電極に時間的に変化する電圧を印加して所望位置にロードを進めるように連結面を振動させる、或いは、少なくとも一の振動子の電極に直流電圧を印加して連結面を変位させることにより所望位置にロードを動かすよう選択的に作動する電源装置であって、所望位置でロードを保持するよう直流電圧を維持する電源装置とを備えている。
2006503529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極と、ロードに押し当てられる連結面とを有した圧電振動子と、
少なくとも一の振動子の電極に時間的に変化する電圧を印加して所望位置にロードを進めるように連結面を振動させる、或いは、少なくとも一の振動子の電極に直流電圧を印加して連結面を変位させることにより所望位置にロードを動かすよう選択的に作動する電源装置であって、所望位置でロードを保持するよう直流電圧を維持する電源装置と、
を備えた、ロードを動かして位置決めする為の圧電モータ。
【請求項２】
前記電源装置が印加する直流電圧によって実質的に同一直線上で変位する、請求項１に記載の圧電モータ。
【請求項３】
非共線的な変位をもたらすように直流電圧を制御可能である、請求項１又は２に記載の圧電モータ。
【請求項４】
前記圧電振動子が、第一と第二の平行で比較的大きなフェイス面と細長いエッジ面とを有した矩形板状に形成され、複数の電極が、各フェイス面上の少なくとも一の電極から成る、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項５】
第一のフェイス面上の少なくとも一の電極が四のクアドラント（quadrant）電極から成り、各クアドラント電極が、当該フェイス面上のそれぞれ異なるクアドラントの全体を実質的に覆っている、請求項４に記載の圧電モータ。
【請求項６】
第二のフェイス面上の少なくとも一の電極が、単一電極であり、他のフェイス面上の全領域を実質的に覆っている、請求項５に記載の圧電モータ。
【請求項７】
単一電極がグランドである、請求項６に記載の圧電モータ。
【請求項８】
連結面が前記圧電振動子の短いエッジ面である、請求項４から７のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項９】
前記電源装置が、その平面において前記圧電振動子を屈曲させ、それにより連結面を変位させるよう、単一電極に対応した少なくとも一のクアドラント電極に印加する、請求項４から８のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１０】
前記電源装置が、同一の長いエッジ面沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、その反対側の長いエッジ面沿いのクアドラント電極に逆極性の電圧を印加する、請求項４から８のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１１】
前記電源装置が、同一の長いエッジ面沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、その反対側の長いエッジ面沿いのクアドラント電極が浮動状態である、請求項４から９のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１２】
前記電源装置が、一致する対角線沿いのクアドラント電極に同等の直流電圧を印加し、それとは異なる対角線沿いのクアドラント電極に逆極性の電圧を印加する、請求項４から１１のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１３】
前記電源装置が、第一のフェイス面の一方の対角線沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、もう一方の対角線沿いのクアドラント電極が浮動状態である、請求項４から１２のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１４】
前記電源装置が、第一のフェイス面の一方の対角線沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、もう一方の対角線沿いのクアドラント電極がグランドである、請求項４から１３のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１５】
前記圧電振動子が、互いに接合された複数枚の薄型の圧電部材の矩形層から成る直方体の形状に形成され、各矩形層が比較的大型なフェイス面、長いエッジ面、短いエッジ面を有し、複数の電極が矩形層の各フェイス面と実質的に切れ目のない少なくとも一の電極から成る、請求項１から３のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１６】
連結面が前記圧電振動子の短いエッジ面に位置する、請求項１５に記載の圧電モータ。
【請求項１７】
前記電源装置が、フェイス面の平面において前記圧電振動子を屈曲させ、それより連結面を変位させるよう、少なくとも一の電極の設定である直流電圧を印加する、請求項１６に記載の圧電モータ。
【請求項１８】
前記電源装置が、フェイス面の平面と直交した前記圧電振動子を屈曲させ、それより連結面を変位させるよう、少なくとも一の電極の設定で直流電圧を印加する、請求項１６又は１７のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１９】
直流電圧は、５ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項２０】
直流電圧は、２ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項２１】
直流電圧は、１ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項２２】
直流電圧は、０．１ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項２３】
複数の電極と、ロードに押し当てられ、ロードと自身とを摩擦によって連結させる連結面とを有した圧電素子本体と、
複数のうちの少なくとも一の電極に直流電圧を印加して連結面を変位させることにより所望位置にロードを引っ張るよう作動する電源装置であって、所望位置でロードを保持するよう直流電圧を維持する電源装置と、
を備えた、ロードを動かして位置決めする為の圧電アクチュエータ。
【請求項２４】
前記電源装置が印加する直流電圧によって実質的に同一直線上で変位する、請求項２３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２５】
非共線的な変位をもたらすように直流電圧を制御可能である、請求項２４に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電モータに関し、特に、エレメント（element）を移動させて所望位置に高精度に位置決めすることができる圧電モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
エレメントを動かす為に比較的長い距離及び／又は大きな角度でロード（load）を並進運動させ及び／又は回転させる必要がある場合であっても第一の位置から第二の位置に比較的高速にロードを動かすことができる圧電モータが、当技術分野で周知である。一般にこのような圧電モータは、その表面上に電極を有した圧電振動子と、当該振動子において高周波の楕円振動を発生させるよう交流電圧を電極に印加する電源装置とを備えている。振動子は、連結面を有し、大抵の場合、振動子表面に備えられた比較的堅くて耐摩耗性のある材料から形成され、モータが動かすロード表面に弾性的に押し付けられる「摩擦ナブ（friction nab）」を有している。
【０００３】
ロードを動かす為、電源装置は、振動子を振動させるよう電極に印加して連結面を振動させる。振動子の各振動サイクル期間中、連結面が振動することにより、ロードが、第二の位置に向かう所望の方向に比較的短い距離だけ進む。高周波振動により、モータは毎秒多くのステップ数でロードを動かし、それによりロードは比較的速い速度で動く。
【０００４】
大抵の場合、このようなモータが、小さな数値のナノメータよりも精密に動いてロードを位置決めできる必要があるが、要求される位置決め精度でこのようなモータを制御するのは通常困難である。加えて、圧電モータがロードを一旦位置決めするや否や、数ナノメータ又は数十ナノメータ或いはサブ・ナノメータと同等若しくはそれよりも小さい間隔を正確にコントロールしてロードを動かし、それを再び位置決めするよう要求されることもよくある。このような性能で圧電モータを制御することもまた、通常困難である。
【０００５】
米国特許第５，６１６，９８０号は、その開示が参照としてここに含まれるものであるが、所望位置にロードを正確に位置決めするよう圧電モータを制御する為にユニポーラ・パルスで圧電モータの電極に印加することを記述している。米国特許出願第０９／９８０，３７５号は、その開示が参照としてここに含まれるものであるが、ロードを正確に位置決めする為、当該ロードに平行な連結面の動きとは独立して、ロードと直交した圧電モータの連結面の動きを制御することにより、圧電モータのステップ幅を調整することを記述している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の幾つかの実施の一側面は、圧電モータが連結される本体をナノメータ又はサブ・ナノメータの空間分解能で位置決めすることができる高空間分解能の圧電モータを提供することに関する。
【０００７】
本発明の幾つかの実施の一側面は、圧電モータが連結されるロードを比較的速い速度で比較的長い距離動かすことができ、ナノメータ又はサブ・ナノメータの空間分解能で所望位置にエレメントを位置決めする高空間分解能の圧電モータを提供することに関する。
【０００８】
本発明の実施の形態によれば、圧電モータは、圧電振動子、当該振動子の電極に交流電圧を印加する為の電源装置、及び、当該振動子の電極に直流電圧を印加する為の電源装置を備えている。本発明の実施の形態によれば、圧電モータは、少なくとも一のＡＣ動作モードと、少なくとも一のＤＣ動作モードを有している。
【０００９】
ＡＣモードにおいて、本発明の実施の形態によれば、電源装置は、時間的に変化する電圧、選択的にはロードに押し当てられて圧電モータがその動きを制御する振動子の連結面を振動させる為の交流電圧を、振動子の電極に印加する。連結面での振動は、所望位置にロードを進め、比較的速い速度で及び／又は比較的長い距離ロードを動かすのに役立つようである。
【００１０】
ＤＣモードにおいて、電源装置は、比較的高い分解能で調整される間隔で第一の位置からロードを変位させて第二の位置で位置決めするよう、振動子の電極に直流電圧を印加する。直流電圧は振動子の形状を歪ませる。例えば振動子を屈曲させたり伸長させたりする。振動子が歪むに従って、連結面が、自身と一緒に押し当てられるロードを動かして「引っ張る」。歪みの方向と大きさは、直流電圧の極性と大きさの関数であり、第二の位置にロードを位置決めするのに必要な移動量だけロードを変位させるよう調整される。本発明の実施の形態によれば、第二の位置に位置決めしたときに、電源装置は、要求される限り電極への直流電圧を維持して振動子の歪みを持続させ、それにより第二の位置でロードを保持する。
【００１１】
発明者は、本発明の実施の形態によれば、圧電モータのＤＣモードにおける直流電圧を、数ナノメータと同等若しくはそれよりも優れた分解能で、圧電モータの連結面が動く距離を調整するよう制御できることを見出している。結果として、本発明の実施の形態によれば、第一の位置から第二の位置へのロードの変位量もまた、数ナノメータと同等若しくはそれよりも優れた分解能で制御される。本発明の幾つかの実施の形態では、ロードの変位量は、サブ・ナノメータの分解能で制御される。本発明の幾つかの実施の形態では、ロードの動作制御に影響を及ぼし得る例えば振動及び温度変動のような環境条件による乱れを軽減するように適切に制御することで、その変位が、１００ピコメータよりも優れた分解能で調整されるであろう。
【００１２】
本発明の幾つかの実施の形態において圧電モータに印加される直流電圧は、実質的に同一直線上で圧電モータの連結面を変位させ、実質的に同一方向に沿ってロードを動かすのに用いられている。本発明の幾つかの実施の形態において圧電モータに印加される直流電圧は、圧電モータの連結面を非共線的に変位させるよう制御され、第一の方向及び／又はそれと直交する第二の方向に沿ってロードを動かすのに用いられても良い。
【００１３】
本発明の実施の形態によれば、ＤＣモードで動作する圧電モータの連結面を一定方向沿いに変位させることが、その方向沿いにロードを変位させることだけに使用されるわけではないことが分かっている。言うまでもなく、ＤＣモードにおいて圧電モータの連結面が変位することによりロードが軸に対して傾いて変位するよう、圧電モータがロードに連結されていても良い。
【００１４】
従って、本発明の実施の形態によれば、複数の電極と、ロードに押し当てられる連結面とを有した圧電振動子と、少なくとも一の振動子の電極に時間的に変化する電圧を印加して所望位置にロードを進めるように連結面を振動させる、或いは、少なくとも一の振動子の電極に直流電圧を印加して連結面を変位させることにより所望位置にロードを動かすよう選択的に作動する電源装置であって、所望位置でロードを保持するよう直流電圧を維持する電源装置とを備えた、ロードを動かして位置決めする為の圧電モータが提供される。
【００１５】
選択的には、電源装置が印加する直流電圧によって実質的に同一直線上で変位する。追加的又は代替的には、非共線的な変位をもたらすように直流電圧を制御可能である。
【００１６】
本発明の幾つかの実施の形態では、圧電振動子が、第一と第二の平行で比較的大きなフェイス面と細長いエッジ面とを有した矩形板状に形成され、複数の電極が、各フェイス面上の少なくとも一の電極から成る。
【００１７】
選択的には、第一のフェイス面上の少なくとも一の電極が四のクアドラント（quadrant）電極から成り、各クアドラント電極が、当該フェイス面上のそれぞれ異なるクアドラントの全体を実質的に覆っている。選択的には、第二のフェイス面上の少なくとも一の電極が、単一電極であり、他のフェイス面上の全領域を実質的に覆っている。
【００１８】
本発明の幾つかの実施の形態では、連結面が圧電振動子の短いエッジ面である。
【００１９】
選択的には、電源装置が、その平面において圧電振動子を屈曲させ、それにより連結面を変位させるよう、単一電極に対応した少なくとも一のクアドラント電極に印加する。
【００２０】
代替的には、電源装置が、選択的には、同一の長いエッジ面沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、その反対側の長いエッジ面沿いのクアドラント電極に逆極性の電圧を印加する。代替的には、電源装置が、選択的には、同一の長いエッジ面沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、その反対側の長いエッジ面沿いのクアドラント電極が浮動状態である。代替的には、電源装置が、選択的には、一致する対角線沿いのクアドラント電極に同等の直流電圧を印加し、それとは異なる対角線沿いのクアドラント電極に逆極性の電圧を印加する。代替的には、電源装置が、選択的には、第一のフェイス面の一方の対角線沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、もう一方の対角線沿いのクアドラント電極が浮動状態である。代替的には、電源装置が、選択的には、第一のフェイス面の一方の対角線沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、もう一方の対角線沿いのクアドラント電極がグランドである。
【００２１】
本発明の幾つかの実施の形態では、圧電振動子が、互いに接合された複数枚の薄型の圧電部材の矩形層から成る直方体の形状に形成され、各矩形層が比較的大型なフェイス面、長いエッジ面、短いエッジ面を有し、複数の電極が矩形層の各フェイス面と実質的に切れ目のない少なくとも一の電極から成る。
【００２２】
選択的には、連結面が圧電振動子の短いエッジ面に位置する。
【００２３】
追加的又は代替的には、電源装置が、フェイス面の平面において圧電振動子を屈曲させ、それより連結面を変位させるよう、少なくとも一の電極の設定である直流電圧を印加する。本発明の幾つかの実施の形態では、電源装置が、フェイス面の平面と直交した圧電振動子を屈曲させ、それより連結面を変位させるよう、少なくとも一の電極の設定である直流電圧を印加する。
【００２４】
本発明の幾つかの実施の形態では、直流電圧は、５ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される。
【００２５】
本発明の幾つかの実施の形態では、直流電圧は、２ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される。
【００２６】
本発明の幾つかの実施の形態では、直流電圧は、１ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される。
【００２７】
本発明の幾つかの実施の形態では、直流電圧は、０．１ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される。
【００２８】
本発明の実施の形態によれば、複数の電極と、ロードに押し当てられ、ロードと自身とを摩擦によって連結させる連結面とを有した圧電素子本体と、複数のうちの少なくとも一の電極に直流電圧を印加して連結面を変位させることにより所望位置にロードを引っ張るよう作動する電源装置であって、所望位置でロードを保持するよう直流電圧を維持する電源装置とを備えた、ロードを動かして位置決めする為の圧電アクチュエータが更に提供される。
【００２９】
選択的には、電源装置が印加する直流電圧によって実質的に同一直線上で変位する。追加的又は代替的には、非共線的な変位をもたらすように直流電圧を制御可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１Ａ及び１Ｂは、本発明の実施の形態に係る、ＤＣモードにおいてロード２２を位置決めする為に動作する圧電モータ２０であって、当該ロード２２に連結された圧電モータ２０を概略的に示している。図１Ａ及び１Ｂの透視図では、圧電モータ２０のうちの通常視認されない部分及び外観が架空線で示されている。座標系２１は、説明の便宜上、圧電モータ２０とロード２２の機構の位置と向きを参照する為に使用され、加えて、圧電モータ２０の動きを適切に説明する為の指標としても使用される。
【００３１】
圧電モータ２０は、先に引用された米国特許第５，６１６，９８０号で開示されている圧電モータと同様の構造であり、選択的には、大型のフェイス面２６と２７を有する矩形板状に形成された比較的薄い圧電振動子２４を備えている。選択的には、フェイス面２６上には四つの「クアドラント」である電極３１、３２、３３、及び、３４が備えられ、各クアドラント電極は、フェイス面２６のそれぞれ異なるクアドラントの全てを実質的に覆っている。選択的には、フェイス面２７上には単一の大型電極３６が備えられている。選択的には、摩擦ナブ３８は、振動子２４の短いエッジ面２８上に設けられている。振動子２４は、周知の様々な方法及び装置を使用して、摩擦ナブ３８がロード２２を押し付けるようロード２２の方に弾性的に付勢されている。各電極３１、３２、３３、及び、３４は、電源装置４０に電気的に接続されている。
【００３２】
本発明の実施の形態によれば、圧電モータ２０は、少なくとも一のＡＣ動作モードと、少なくとも一のＤＣ動作モードを有している。ＡＣ動作モードにおいて、電源装置４０は、大型電極３６に対応した少なくとも一のクアドラント電極３１、３２、３３、及び、３４を備えた電極に適切な設定で、時間的に変化する電圧、選択的には振動子を振動させる交流電圧を印加するよう制御される。振動子２４は、要求に応じてＹ軸沿いのいずれか一方にロード２２を進める、一般に楕円形である摩擦ナブ３８を振動させる。
【００３３】
要求に応じてロード２２が動くよう摩擦ナブ３８を適切に振動させる為に、交流電圧又は時間的に変化する電圧の周知の様々な設定を、圧電モータ２０のＡＣ動作モードで使用しても良い。一例として、米国特許第５，６１６，９８０号及び米国特許出願第０９／９８０，３７５号には、振動子２４と同様の振動子で振動を発生させてロードの動きをコントロールする様々な交流電圧の設定が記述されており、それを、振動子２４で振動を発生させてロード２２の動きを制御することに使用しても良い。図１Ａは、ロード２２を概略的に示しており、選択的には、ＡＣモードで動作する圧電モータ２０によって所望のＹ座標に位置決めされている状態である。図１Ａでは、振動子２４が振動しなくなっており、大型電極３６とクアドラント電極３１、３２、３３、及び、３４のいずれかと間に、電源装置４０による電位差が与えられていない。結果として、振動子２４の形状は、実質的に矩形であり、Ｙ軸沿いに左右非対称性を持たない。
【００３４】
ＤＣモードにおいて、電源装置４０は、クアドラント電極３１、３２、３３、及び、３４の少なくとも一つと大型電極３６と間に直流の電位差を与え、振動子２４をその平面において実質的に屈曲させて、正又は負のＹ方向に摩擦ナブ３８を変位させる。摩擦ナブ３８が変位するとロード２２も変位する。直流電圧の大きさと極性は、所望位置にロード２２を位置決めするのに必要とされる変位量に応じて設定される。所望位置にロード２２を保持するよう要求されている限り、電圧は維持される。
【００３５】
本発明の実施の形態によれば、ロード２２を変位させて位置決めする為に、圧電モータ２０を動作させる様々なＤＣモードを使用しても良い。例えば、図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る、図１Ａに示された位置から＋ΔＹだけロード２２を変位させるようにＤＣモードで動作する圧電モータ２０を概略的に示している。図１Ｂでは、ロード２２の変位される位置を破線で示している。
【００３６】
大型電極３６に対応したクアドラント電極３１、３２、３３、３４の一つに印加される正の電圧が当該クアドラント電極と大型電極との間の部材を引き延ばすような極性を、圧電プレート２４が持つと仮定する。本発明の実施の形態によれば、ＤＣｉはＤＣ動作モード「ｉ−ｔｈ」を表す。Ｖｉは大型電極３６に対して正となる電圧を表す。電源装置４０は、クアドラント電極３１、３２、３３、３４の一つにＤＣｉモードで電圧を印加し、摩擦ナブ３８を変位させ、それによりＹ軸沿いにΔＹだけロード２２を変位させる。更に一例として、本発明の実施の形態によれば、ΔＹだけロード２２を変位させる為に、以下に列挙される例示的なＤＣｉ動作モードで電極３１、３２、３３、３４、及び、３６に電圧を印加しても良い。列挙された例示的な各ＤＣｉモードに関しては、電極番号を付された等式に示された電圧が電極に印加される。文字Ｆは電極が浮動状態であることを示し、数値０は電極がグランドであることを示す。
ＤＣ１：（３１，３４＝Ｖ１；３２，３３＝−Ｖ１；３６＝０）
ＤＣ２：（３１，３４＝Ｖ２；３２，３３＝Ｆ；３６＝０）
ＤＣ３：（３１，３３＝Ｖ３；３２，３４＝−Ｖ３；３６＝０）
ＤＣ４：（３１，３３＝Ｖ４；３２，３４＝Ｆ；３６＝０）
ＤＣ５：（３１，３３＝Ｖ５；３２，３４＝０；３６＝０）
【００３７】
例示的なＤＣモードの上記リストは全てを包括したものではない。他のＤＣモード及び列挙されたＤＣモードの変形例が当業者によって容易に想到されるであろう。例えば、ＤＣ１において電極３２と３３に印加される電圧は、電極３１と３４に印加されるものと極性が反対であり且つ大きさが等しいが、本発明の幾つかの実施の形態では、電極３２と３３に印加される電圧の大きさが、電極３１と３４に印加されるものと異なっている。常に一定の変位を得る為に、各ＤＣモードは、それを指し示すモードの下付き文字と一致する下付き文字を持つ電圧に設定される。圧電モータ２０に備えられた電極に印加される電圧の大きさが、それぞれのＤＣモードで異なっていても良い。
【００３８】
選択的には圧電モータ２０がＹ軸沿いに左右対称性を持つことが分かっている。従って、＋ΔＹ変位させるのに使用される各電圧を、負の電圧に置き換えることにより、−ΔＹの変位が生じる。代替的には、−ΔＹ変位させる為に、＋ΔＹ変位させるのに使用される電圧変動パターンを、ＸＺ平面と平行で且つ圧電モータの中心を通る平面において反転させることによって置き換えることができる。
【００３９】
発明者は、本発明の実施の形態によれば、ＤＣ１動作モードで動作する圧電モータ２０と同様の圧電モータに関して、ΔＹの変位を、大抵の場合、小さな数値のナノメータと同等若しくはそれよりも優れた分解能で制御できることを見出している。本発明の幾つかの実施の形態では、分解能は５ナノメータよりも良い。本発明の幾つかの実施の形態では、分解能は２ナノメータよりも良い。本発明の幾つかの実施の形態では、分解能は１ナノメータよりも良い。本発明の幾つかの実施の形態では、振動や周辺温度の変動のような環境条件の乱れに対してロードの変位を適切に補正することで、ΔＹの変位を、１００ピコメータよりも優れた分解能で制御可能としている。ＤＣ１動作モードは一定であるが、電圧Ｖｉの関数であるΔＹの変位はヒステリシス曲線に従う。大抵の場合、ヒステリシス曲線は、幾つかの適用基準に当てはまるように、限定されたダイナミックレンジ内において、ΔＹが実質的にＶｉの一次関数であるとみなしても良いように充分に狭い。
【００４０】
数値例として、本発明の実施の形態に係る、圧電モータ２０と同様の圧電モータが、長さ約３０ｍｍ、幅約２ｍｍのＰＺＴで形成された振動子２４を備えていると仮定する。発明者は、ＤＣ４モードで動作するこのようなモータについて、Ｖｉが０．８ボルト増加又は減少する毎にΔＹが約１ナノメータ程度増加又は減少し、ΔＹを１ナノメータと同等若しくはそれよりも優れた分解能で制御できることを見出している。ΔＹの変位は、実質的に、｜ΔＹ｜≦約５００ナノメータに関する電圧の一次関数である。
【００４１】
上述した例において圧電モータ２０は単一の比較的薄型の矩形の振動子２４を備えているが、本発明の実施の形態に係る圧電モータが振動子２４と異なる振動子を備えていても良いことが分かっている。このような振動子は、例えば形状及び／又は電極配置が図１Ａ及び１Ｂに示されたものと異なるものであっても良い。
【００４２】
例えば、図１Ａ及び１Ｂに示された振動子２４のフェイス面２６上のクアドラント電極３１〜３４は全て同一サイズであるが、本発明の幾つかの実施の形態では、振動子２４の一方の長辺のエッジに沿ったフェイス面２６上の電極がもう一方の長辺のエッジに沿った電極よりも大きい。電極サイズの相違は、Ｙ軸沿いの一方の方向に関して、その逆方向よりも広いダイナミックレンジを与える。また、振動子２４と同様の圧電振動子が四以外の数の電極を備えていても良い。別の例として、本発明の実施の形態によれば、圧電モータが、米国特許出願第０９／９８０，３７５号に示されたものと同様の多層型振動子であっても良い。本発明を実施するのに適した他の振動子と電極構造は、当業者によって容易に想到されるであろう。
【００４３】
圧電モータ２０は一軸沿いすなわち例として図１Ａ及び１ＢのＹ軸沿いにロードを変位させるが、本発明の幾つかの実施の形態では、ＤＣモードで動作する圧電モータが、直交する二軸に沿ってロードを変位させることができる。
【００４４】
図２Ａ〜２Ｃは、本発明の実施の形態に係る、直交する二軸の一方又は両方に沿ってロードを変位させるよう作用するＤＣモードを有する圧電モータ５０を概略的に示している。一例として、圧電モータ５０は、米国特許出願第０９／９８０，３７５号に記述されたものと同様の構造を持つ多層型振動子であり、図２Ａ〜２Ｃに示されているようにロード２２と連結している。
【００４５】
選択的には、圧電モータ５０は、二つの薄型で矩形の圧電層５４と５５を有する多層型振動子５２を備えている。選択的には圧電層５４と５５は互いに鏡像である。選択的には、四つのクアドラント電極６１、６２、６３、及び、６４は、フェイス面６０上に位置している。選択的には、四つのクアドラント電極７１、７２、７３、及び、７４は、選択的にはクアドラント電極６１、６２、６３、及び、６４の各々と鏡像であり、フェイス面７０上に位置している。選択的には、単一の大型な「介在した」電極６８が圧電層５４と５５との間に位置している。摩擦ナブ５６はエッジ面５７上に位置している。選択的には、介在電極６８に対応したクアドラント電極のいずれかに印加される正の電圧がクアドラント電極と介在電極との間の部材を引き延ばすような極性を、圧電層５４と５５が有している。多層型振動子５２の電極は、電源装置８０に電気的に接続されている。
【００４６】
圧電モータ５０は、Ｘ軸及び／又はＹ軸に沿ってロード２２を動かす為のＡＣ動作モードを有している。これらのＡＣ動作モードに対応して、電源装置８０は、摩擦ナブ５６を適切に振動させるように交流電圧を多層型振動子５２の電極に印加する。米国特許出願第０９／９８０，３７５号に記述されたものと同様であるような、多層型振動子５２の電極への電力供給の様々な設定が、圧電モータ５０のＡＣモードで摩擦ナブ５６において所望の振動を発生させる為に使用されても良い。図２Ａは、本発明の実施の形態に係る、圧電モータ５０がＸ軸及びＹ軸に沿った所望位置にロード２２を位置決めし、電源装置８０が多層型振動子５２の電極間の全ての電位差をなくした状態の圧電モータ５０を概略的に示している。
【００４７】
本発明の実施の形態によれば、圧電モータ５０は、図２Ａに示されたロードの位置に対して、要求に応じてＸ軸及びＹ軸に沿ってロード２２を変位させる為のＤＣモードを有している。Ｙ軸に沿ってロード２２を変位させるモータ５２のＤＣモード「ｉ−ｔｈ」がＤＣｙｉで表され、Ｘ軸に沿ってロード２２を変位させるｉ−ｔｈ ＤＣモードがＤＣｘｉで表される。
【００４８】
ＤＣｙｉモードにおいて、選択的には、フェイス面６０及び７０上の鏡像の電極は、介在電極６８に対して同等の直流電圧で印加される。例えば、クアドラント電極６１と７１は、介在電極６８に対して同等の直流電圧で印加される。加えて、振動子５２のミラー電極対は、選択的には、Ｙ軸に沿ってロードを変位させる為に、図１Ａ及び１Ｂに示された圧電モータ２０の例示的なＤＣモード、ＤＣ１〜ＤＣ５に相当する設定で直流電圧を印加される。
【００４９】
例えば、ロード２２を距離ΔＹ動かす為に、振動子５２のクアドラント電極が、上述した圧電モータ２０のＤＣモード、ＤＣ３に相当するＤＣモード「ＤＣｙ３」で電力を供給されても良い。その結果、ＤＣｙ３において、介在電極６８がグランドとなり、クアドラント電極の鏡像対が以下のように電圧を印加されるであろう。
（６１＆７１）and（６３＆７３）＝Ｖ’３
（６２＆７２）and（６４＆７４）＝−Ｖ’３
電極対に印加される電圧±Ｖ’３は予め設定されており、同一の変位ΔＹに関し、ＤＣｙ３モードで圧電モータ５０に印加される電圧が、圧電モータ２０のＤＣ３モードでクアドラント電極に印加される電圧Ｖ３と必ずしも同じではないことを意味する。図２Ｂは、距離ΔＹだけロード２２を変位させるよう、選択的にはＤＣモード又はＤＣｙ３モードで動作する圧電モータ５０を概略的に示している。
【００５０】
Ｙ軸に沿ってロード２２を変位させるよう、圧電モータ５０が、ＤＣｘ１として任意に参照される例示的なＤＣｘｉモードで動作しても良い。介在電極６８がグランドであり、クアドラント電極６１、６２、６３、及び、６４が同一電圧「Ｖ」で印加され、クアドラント電極７１、７２、７３、及び、７４が同一電圧−Ｖで印加される。Ｖが正の場合には印加電圧によって振動子５２が負のＸ方向に屈曲され、Ｖが負の場合には印加電圧によって振動子５２が正のＸ方向に屈曲されるであろう。これにより、摩擦ナブ５６とロード２２が動くであろう。
【００５１】
ＤＣｘｉモードの別の例として、電極７１、７２、７３、及び、７４が浮動状態であり、介在電極６８がグラントであり、電極６１、６２、６３、及び、６４が、正又は負のＸ方向の各々にロード２２を変位させるよう、同等の正又は負の電圧を印加される。図２Ｃは、正のＸ方向において距離ΔＹだけロード２２を変位させるようにＤＣｘｉモードで動作する圧電モータ５０を概略的に示している。
【００５２】
ＤＣｘｉモードとＤＣｙｉモードは、それぞれＸ及びＹ方向にロード２２を変位させる。本発明の実施の形態によれば、ＤＣｘｉモードとＤＣｙｉモードは、Ｘ軸及びＹ軸に沿った成分を持つロード２２の変位を与えるように組み合わせられる。ＤＣｘｉモードとＤＣｙｉモードは、それらの各々の電圧設定を重ね合わせることにより、組み合わせられる。例えば、正のＸ方向及びＹ方向の両方に沿ってロード２２を変位させるようにＤＣｘ１モードとＤＣｙ３モードとを組み合わせても良い。ＤＣｙ３で与えられるクアドラント電極間の電位差は、ＤＣｘ１で与えられるクアドラント電極に基づいて重ね合わせられるであろう。図２Ｄは、ΔＸ及びΔＹ成分を有する変位Δｓだけロード２２を変位させるＤＣｘｉモードとＤＣｙｉモードとを組み合わせて動作する圧電モータ５０を概略的に示している。
【００５３】
幾つかの適用基準に当てはまるように、アクチュエータは、比較的高い分解能でロードを位置決めするよう調整される比較的短い距離だけ、ロードを変位させることを要求されるようである。幾つかの適用基準に当てはまるように、本発明の実施の形態によれば、アクチュエータは優れた点を持っているようである。このようなアクチュエータには、複数の電極と、ロードに押し当てられ、ロードと自身とを摩擦によって連結させる連結面とを有した圧電素子本体と、一若しくは複数のＤＣモードだけでアクチュエータを動作させる電源装置とが備えられている。ＤＣモードにおいて、電源装置が、圧電素子本体の形状を歪ませる例えば当該本体を屈曲させたり伸長させたりする為に、圧電素子本体の電極に直流電圧を印加する。圧電素子本体が歪むに従って、連結面が、自身と一緒に押し当てられるロードを動かして引っ張る。
【００５４】
本発明の幾つかの実施の形態では、アクチュエータが、図１Ａ及び１Ｂに示された圧電モータ２０に備えられる振動子２４と同様の形状を有した圧電素子本体を備えており、一方向に沿ってロードを変位させるよう作動する。本発明の幾つかの実施の形態では、アクチュエータが、圧電モータ５０（図２Ａ〜２Ｄ）に備えられる振動子５２と同様の形状を有した圧電素子本体を備えており、第一の方向及び／又は第一の方向と直交する第二の方向に沿ってロードを変位させるよう作動する。本明細書の説明及び請求項では、語句「備える（comprise）」、「含む（include）」、「有する（have）」、及び、これらの同意語は、語句の一若しくは複数の対象が、必ずしも、語句の一若しくは複数の主題の部品、成分、要素、又は、一部の包括的な記載事項でないことを意味する為に使用される。
【００５５】
本発明は、一例として与えられ且つ発明の範囲を限定しないような実施の形態の詳細な説明を用いて記述されている。記述された実施の形態は、発明の全ての実施の形態で要求されるものでは全くない、異なる特徴を備えている。本発明の幾つかの実施の形態では、幾つかの特徴又は組合せ可能な特徴だけを利用している。記述されている本発明の実施の形態の変形例と、記述された実施の形態で説明された様々な特徴の組合せを備えた本発明の実施の形態は、当業者によって想到されるであろう。発明の範囲は請求項によってのみ限定される。
【００５６】
本発明の例示的で非限定的な実施の形態は、以上の記述で説明され、ここに添付されて以下に列挙される図面で参照される。図面において、二枚以上の図面に現れる同一の構造体、要素又は一部は、それらが現れる図面において、通常、同一番号を付される。図面に示される構成要素及び特徴の寸法は、説明の便宜上及び明瞭化の為に選択されたものであり、必ずしも実寸ではない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１Ａ】本発明の実施の形態に係る、実質的に同一線上のそれぞれ異なる位置にロードを動かして精密に位置決めするようＤＣモードで動作する圧電モータを概略的に示した図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態に係る、実質的に同一線上のそれぞれ異なる位置にロードを動かして精密に位置決めするようにＤＣモードで動作する圧電モータを概略的に示した図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態に係る、非共線的なそれぞれ異なる位置にロードを動かして精密に位置決めするようにＤＣモードで動作する別の圧電モータを概略的に示した図である。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態に係る、非共線的なそれぞれ異なる位置にロードを動かして精密に位置決めするようにＤＣモードで動作する別の圧電モータを概略的に示した図である。
【図２Ｃ】本発明の実施の形態に係る、非共線的なそれぞれ異なる位置にロードを動かして精密に位置決めするようにＤＣモードで動作する別の圧電モータを概略的に示した図である。
【図２Ｄ】本発明の実施の形態に係る、非共線的なそれぞれ異なる位置にロードを動かして精密に位置決めするようにＤＣモードで動作する別の圧電モータを概略的に示した図である。
【符号の説明】
【００５８】
２０、５０  圧電モータ
２１  座標系
２２  ロード
２４  圧電振動子
２６、２７、６０、７０  フェイス面
２８、５７  エッジ面
３１、３２、３３、３４、６１、６２、６３、６４、７１、７２、７３、７４  クアドラント電極
３６  大型電極
３８、５６  摩擦ナブ
４０、８０  電源装置
５２  多層型振動子
５４、５５  圧電層
６８  介在電極
【図１Ａ】
2006503529.tif 000003
【図１Ｂ】
2006503529.tif 000004
【図２Ａ】
2006503529.tif 000005
【図２Ｂ】
2006503529.tif 000006
【図２Ｃ】
2006503529.tif 000007
【図２Ｄ】
2006503529.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成16年10月12日(2004.10.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロードに押し当てられる連結面と、
連結面に連結し、複数の電極を有する単一の圧電振動子と、
少なくとも一の振動子の電極に時間的に変化する電圧を印加して所望位置にロードを進めるように連結面を振動させる、或いは、少なくとも一の振動子の電極に一定の直流電圧を印加して連結面を変位させてその位置で保持し、それにより所望位置にロードを動かすよう選択的に作動する電源装置と、
を備えた、ロードを動かして位置決めする為の圧電モータ。
【請求項２】
前記電源装置が印加する直流電圧によって実質的に同一直線上で変位する、請求項１に記載の圧電モータ。
【請求項３】
非共線的な変位をもたらすように直流電圧を制御可能である、請求項１又は２に記載の圧電モータ。
【請求項４】
前記圧電振動子が、第一と第二の平行で比較的大きなフェイス面と細長いエッジ面とを有した矩形板状に形成され、複数の電極が、各フェイス面上の少なくとも一の電極から成る、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項５】
第一のフェイス面上の少なくとも一の電極が四のクアドラント（quadrant）電極から成り、各クアドラント電極が、当該フェイス面上のそれぞれ異なるクアドラントの全体を実質的に覆っている、請求項４に記載の圧電モータ。
【請求項６】
第二のフェイス面上の少なくとも一の電極が、単一電極であり、他のフェイス面上の全領域を実質的に覆っている、請求項５に記載の圧電モータ。
【請求項７】
単一電極がグランドである、請求項６に記載の圧電モータ。
【請求項８】
連結面が前記圧電振動子の短いエッジ面である、請求項４から７のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項９】
前記電源装置が、その平面において前記圧電振動子を屈曲させ、それにより連結面を変位させるよう、単一電極に対応した少なくとも一のクアドラント電極に印加する、請求項４から８のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１０】
前記電源装置が、同一の長いエッジ面沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、その反対側の長いエッジ面沿いのクアドラント電極に逆極性の電圧を印加する、請求項４から８のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１１】
前記電源装置が、同一の長いエッジ面沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、その反対側の長いエッジ面沿いのクアドラント電極が浮動状態である、請求項４から９のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１２】
前記電源装置が、一致する対角線沿いのクアドラント電極に同等の直流電圧を印加し、それとは異なる対角線沿いのクアドラント電極に逆極性の電圧を印加する、請求項４から１１のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１３】
前記電源装置が、第一のフェイス面の一方の対角線沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、もう一方の対角線沿いのクアドラント電極が浮動状態である、請求項４から１２のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１４】
前記電源装置が、第一のフェイス面の一方の対角線沿いのクアドラント電極に直流電圧を印加し、もう一方の対角線沿いのクアドラント電極がグランドである、請求項４から１３のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１５】
前記圧電振動子が、互いに接合された複数枚の薄型の圧電部材の矩形層から成る直方体の形状に形成され、各矩形層が比較的大型なフェイス面、長いエッジ面、短いエッジ面を有し、複数の電極が矩形層の各フェイス面と実質的に切れ目のない少なくとも一の電極から成る、請求項１から３のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１６】
連結面が前記圧電振動子の短いエッジ面に位置する、請求項１５に記載の圧電モータ。
【請求項１７】
前記電源装置が、フェイス面の平面において前記圧電振動子を屈曲させ、それより連結面を変位させるよう、少なくとも一の電極の設定である直流電圧を印加する、請求項１６に記載の圧電モータ。
【請求項１８】
前記電源装置が、フェイス面の平面と直交した前記圧電振動子を屈曲させ、それより連結面を変位させるよう、少なくとも一の電極の設定で直流電圧を印加する、請求項１６又は１７のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項１９】
直流電圧は、５ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項２０】
直流電圧は、２ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項２１】
直流電圧は、１ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項２２】
直流電圧は、０．１ナノメートルと同等若しくはそれよりも優れた分解能で連結面の変位の大きさを調整するように制御される、前記請求項のいずれかに記載の圧電モータ。
【請求項２３】
ロードに押し当てられ、ロードと自身とを摩擦によって連結させる連結面と、
連結面に連結し、複数の電極を有する単一の圧電振動子と、
少なくとも一の振動子の電極に一定の直流電圧を印加し、非共線的なそれぞれ異なる方向に沿って連結面を選択的に変位させてその位置で保持し、それにより所望位置にロードを引っ張るよう作動する電源装置と、
を備えた、ロードを動かして位置決めする為の圧電アクチュエータ。
【請求項２４】
前記電源装置が印加する直流電圧によって実質的に同一直線上で変位する、請求項２３に記載の圧電アクチュエータ。
【国際調査報告】
2006503529.tif 000009
2006503529.tif 000010
2006503529.tif 000011