(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気の噴射、力、熱、化学的な放射、及び膨張のうちのいずれかであるアクチュエータ応答を生成するシステムであって、
複数のアクチュエータ行であって、前記複数のアクチュエータ行のそれぞれは、制御信号に応じてアクチュエータ応答を生成することのできる複数のアクチュエータを１つの共通電極に接続し、前記複数のアクチュエータのそれぞれは、前記共通電極を通じて前記制御信号を取得する、複数のアクチュエータ行と、
前記複数のアクチュエータ行にそれぞれ対応する複数の前記共通電極に接続された抵抗片と、
を備え、
前記抵抗片において、第１の電圧を有する第１の電極、第２の電圧を有する第２の電極、及び、複数の前記共通電極、が直列に接続され、かつ、前記第１の電極と前記第２の電極との間に複数の前記共通電極が配置され、
前記制御信号は、前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記抵抗片を介して、複数の前記共通電極のそれぞれに対して伝送され、
複数の前記共通電極のそれぞれに対応する前記各アクチュエータ行が備える前記複数のアクチュエータは、前記共通電極を通じて取得した前記制御信号に応じて、前記アクチュエータ応答を生成する、ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
複数の前記共通電極のそれぞれに対して伝送される前記制御信号の値は、前記第１の電圧、前記第２の電圧、及び前記抵抗片における当該共通電極の位置に応じて定まる値であり、
前記複数のアクチュエータ行のそれぞれにおいて、当該アクチュエータ行に含まれる前記複数のアクチュエータが所望の大きさの前記アクチュエータ応答を生成するように、前記第１の電圧及び前記第２の電圧の値を選択することで、複数の前記共通電極のそれぞれに対して伝送される前記制御信号の値を決定する、ことを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、
前記抵抗片の長さは、前記アクチュエータ応答を作用させる対象の領域であって複数のアクチュエータが互いに相関して駆動するように設計される相関領域の大きさに対応する長さである、ことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広くはアクチュエータに係り、特に多数のアクチュエータを有する駆動割当構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くのシステムが、対象に対して力を及ぼすアクチュエータを用いている。例えば、スマートマターシステム、あるいはスマートマターマテリアル、は環境の変化を検出して、その結果に応じて力を及ぼすアクチュエータのアレイを有する物理的な対象物である。スマートマターは、印刷機中で用紙を移動させたり、あるいは翼表面の微調整を行うことにより飛行機を操縦するのに使うことができる。前者の例では、アクチュエータは、空気の噴流の形で力を一枚の用紙に及ぼし、印刷機の中を通る用紙の運動を導く。
【０００３】
バッチ製造により生産されるものなどのように、低コストのアクチュエータの出現により、非常に多数のアクチュエータを有するシステムが考えられつつある。このような多数のアクチュエータシステムにおける主な問題は、低コストの方法でアクチュエータを指定し制御することにある。マトリックスアドレシングはある種のアクチュエータのみに機能することができ、このアドレシング方式においてすら、高密度構成において、制御するエレクトロニクスに対して多過ぎるコストのかかる接続が必要となり得る。さらに、アクチュエータと制御エレクトロニクスとの間の通信も、そのために多数の通信チャンネルが必要となり、個別に電力を制御することが必要な場合には、高価となり得る。
【０００４】
例えば、図１を参照すると、２５個のアクチュエータ６を有する従来のアクチュエータアレイ４が示されている。１０個の電極８がアクチュエータを制御する（一般的にはＮ×Ｍ個のアレイに対してＮ＋Ｍ個の電極がアクチュエータの制御に用いられる）。例えば、第２行第３列のアクチュエータを起動するには、第２行を制御する電極と、第３列を制御する電極とを用いて、このアクチュエータに電気信号が送信される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
スマートマターを採用するシステムにおいては、多数のアクチュエータを含むが、各アクチュエータを個別に制御するように多数の電極を駆動することが高価で扱いにくくなり得る。個々の電極線についてアレイ中で経路を定めなければならず、各アクチュエータを処理する能力を有する駆動エレクトロニクスを作成しなければならず、起動データ速度はアクチュエータの数に応じて高くなければならず、これらのために通信チャンネルが過負荷となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
空気の噴射、力、熱、化学的な放射、及び膨張のうちのいずれかであるアクチュエータの応答を生成するシステムが一態様に開示されている。このシステムは、複数のアクチュエータ行を有する。複数のアクチュエータ行のそれぞれは、制御信号に応じてアクチュエータの応答を生成できる複数のアクチュエータを１つの共通電極に接続し、複数のアクチュエータのそれぞれは、共通電極を通じて制御信号を取得する。一つの抵抗片がこの複数のアクチュエータ行にそれぞれ対応する複数の共通電極に接続されている。抵抗片において、第１の電圧を有する第１の電極、第２の電圧を有する第２の電極、及び、複数の共通電極、が直列に接続され、かつ、第１の電極と第２の電極との間に複数の共通電極が配置される。制御信号は、第１の電極、第２の電極、及び抵抗片を介して、複数の共通電極のそれぞれに対して伝送され、複数の共通電極のそれぞれに対応する各アクチュエータ行が備える複数のアクチュエータは、共通電極を通じて取得した制御信号に応じて、アクチュエータ応答を生成する。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、複数の共通電極のそれぞれに対して伝送される制御信号の値は、第１の電圧、第２の電圧、及び抵抗片における当該共通電極の位置に応じて定まる値であり、複数のアクチュエータ行のそれぞれにおいて、当該アクチュエータ行に含まれる複数のアクチュエータが所望の大きさのアクチュエータ応答を生成するように、第１の電圧及び第２の電圧の値を選択することで、複数の共通電極のそれぞれに対して伝送される制御信号の値を決定する。
【０００８】
本発明の更に他の態様に依れば、抵抗片の長さは、アクチュエータ応答を作用させる対象の領域であって複数のアクチュエータが互いに相関して駆動するように設計される相関領域の大きさに対応する長さである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
ここに説明する発明には、制御線を大きく減少させる方法で駆動を割り当てるためのアナログエレクトロニクスを用いた通信及び計算構造が含まれる。特に、本発明は階層的なスマートマター制御と互換性を有する。スマートマターシステムのための通信帯域の縮小は、各アクチュエータを個別に指定するよりも、相関する領域により与えられるある大きさのアクチュエータのグループを指定することにより得られる。
【００１０】
相関領域は、駆動システム、適用要求、システムの物理的性質により決定される。要するに、多数の大領域アクチュエータシステムにとって、隣接するアクチュエータの駆動は高度にあるいは完全に相関している。すなわち、隣接するアクチュエータを所定のレベルで駆動すれば、隣りのアクチュエータも同じレベルで駆動する可能性が高い。
【００１１】
場合に応じて、相関領域は、相関する長さまたは相関する領域を参照することができる。例えば、印刷機は、空気噴射を用いて一枚の用紙上の種々の位置で力を印加し、この用紙が印刷機の種々の段階を通過する時のこの用紙の移動を制御する。この用紙を１次元及び２次元で制御するのに必要な空気噴射の数は、それぞれ、相関する長さ及び相関する面積により決定される。例えば、相関する面積は、２次元で一枚の用紙の運動を適正に制御するために力を印加する必要がある位置の最小数により、この用紙の面積を適当に分割した面積となる。６０３平方ｃｍ（９３．５平方インチ）の面積を有する典型的な２２×２５ｃｍ（８．５インチ×１１インチ）の事務用紙に対しては、プリンタ中で２次元でこの用紙の移動を制御するためには、最小限ほぼ４箇所に力を印加することが必要である。かくして、この場合には、相関面積はほぼ６４平方ｃｍ（２５平方インチ）となる。２２×２５ｃｍの用紙の移動が一次元の位置と角度とで制御された場合には、用紙を制御するのにわずか２箇所に力を印加すればよく、相関面積はほぼ１２８平方ｃｍ（５０平方インチ）となる。用紙が伸びたり、用紙の高さも制御する必要がある場合には、相関領域ははるかに小さくなる。したがって、相関領域は、アクチュエータの力を印加する用途と物質との関数である。相関面積内では、力を印加するアクチュエータの完全に個別の制御は不要となる。この観察により、相関面積内では、アクチュエータを独立に制御する電極が不要であることが示唆される。
【００１２】
以下に考察する幾つかの実施の形態においては、制御線に印加される電圧が、アクチュエータ行を制御することが仮定されている。この電圧の代わりに、電力、電流、周波数、圧力等の多くの他の制御信号を用いることができることを理解すべきである。さらに、以下に考察する幾つかの実施の形態においては、制御信号に対するアクチュエータの応答は力であり、この力はアナログアクチュエータにおいては電圧に比例し、離散的なアクチュエータに於いては閾値により制御することができる。しかし、力以外の、熱、化学的な放射、および膨張などの他のアクチュエータの応答も生成し得る。個々の線を個々の行に対して駆動すると言うよりも、制御線はまとめて抵抗片により接続されている。（ここでの抵抗片は電気抵抗であるが、例えば、圧力が検出信号であって、流体の流れが圧力設定に応じて流れる流れである場合には、流体の流れに対する抵抗であっても良い。この教示の残りの部分においては、説明を簡単にするために、電圧、電流及び抵抗媒体を仮定する）。このようなグループの大きさは相関領域に対応し、この大きさの上に駆動が相関することが期待される。各抵抗片の各端部は、コンピュータのアナログ出力チャンネルに接続することができる。
【００１３】
図２を参照すると、本発明の教示に従ったアクチュエータシステム１０が示されている。このアクチュエータシステム１０は、制御信号に応じて力を及ぼすことができる複数のアクチュエータ行１２〜１６を有している。より具体的には、アクチュエータ行は、制御信号をアクチュエータの応答に変換する、アナログまたはデジタルの関連する局部的手段を有している。この応答は、制御信号に対して比例的に応答し、閾値によって応答し、また、何らかの単一の値の関数により応答することが可能である。一例では、アクチュエータは、印刷機械の中の一枚の用紙上に力を及ぼす空気の噴流である。アクチュエータシステム１０は、電極２０〜２４を介して複数のアクチュエータ行１２〜１６に接続された抵抗片１８も有する。アクチュエータシステム１０は、更に、第１の電圧を有し、抵抗片１８に接続された第１の電極２６と、第２の電圧を有し、抵抗片１８に接続された第２の電極２８とを有する。
【００１４】
アクチュエータ行１２〜１６は、第１の電極２６及び第２の電極２８を介して、伝達された制御信号に応じて、力などのアクチュエータの応答を生成することができる。第１の電極２６は固定された第１の電圧Ｖ1に保たれ、第２の電極２８は固定された第２の電圧Ｖ2に保たれている。これらの印加電圧により、抵抗片１８を通って電流が流れ、一方の電極からの距離に比例して抵抗片１８に沿ってある点で電圧の分割を生じる。一実施の形態においては、特定の行のアクチュエータは、全て同一の電圧に保たれ、そのことは一次補間により見つけることができる。例えば、抵抗片１８の長さをＬ、電極２３が電極２８からＬ／５の距離にあると仮定すると、電極２３の電圧は［（Ｖ1−Ｖ2）／Ｌ］Ｌ／５＋Ｖ2となる。ある特定の行のあるアクチュエータにより及ぼされる力の大きさは、アクチュエータをその特定の行に接続する電極の電圧に比例させ得る。したがって、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2の値を適当な値に選択することにより、所望の駆動分布に近似させることが可能である。
【００１５】
図３を参照すると、所望の駆動分布３０に近似する駆動分布を生成する助けとなる多数のアクチュエータシステム１０が示されている。第１の電極２６の電圧Ｖ1と第２の電極２８の電圧Ｖ2とは、Ｖ1−Ｖ2と（Ｖ1＋Ｖ2）／２とが全体の長さＬの平均の傾斜と所望の駆動分布の平均値となるように選択する。同様に、第３の電極３１の電圧Ｖ3と第４の電極３２の電圧Ｖ4、および第５の電極３３の電圧Ｖ5と第６の電極３４の電圧Ｖ6は、図３に示すように、これらの電極対により境界が定められたそれぞれの長さに渡って所望の駆動分布に近似するように選択される。
【００１６】
図４を参照すると、所望の駆動分布３０への近似を改善するための、本発明の別の実施の形態が示されている。このアクチュエータシステム４０は、制御信号に応じて力などのアクチュエータ応答を生成することのできる複数のアクチュエータ行４１〜５５を有する。抵抗片５６がこの複数のアクチュエータ行４１〜５５に接続されている。このアクチュエータシステムは、更に、それぞれ抵抗片５６に接続された、電圧Ｖ1，・・・，Ｖ4を有する４個の電極５７〜６０を有する。特に、電極５７〜６０はそれぞれ行４１，４６，５１及び５５に接続されている。他の実施の形態においてはこれらの電極は他の行に接続できることを理解すべきである。
【００１７】
アクチュエータ行４１〜５５は、例えば、印刷システム中の１枚の用紙などの対象物に対して力を分配するのに役立つ。電極５７〜６０は、制御信号をアクチュエータ行４１〜５５に伝達し、それによりアクチュエータに力を出させる。この信号の伝達を助けるために、例えば、電極５７は、電圧Ｖ1を行４１の全てのアクチュエータに対して維持する。任意の２本の電極間の距離は、複数のアクチュエータ行４１〜５５の相関長にほぼ等しい。
【００１８】
図５を参照すると、所望の駆動分布３０に近似させるためのアクチュエータシステム４０が示されている。所望の駆動分布３０に近似させるために、１≦ｊ≦３を満足する各ｊに対して電圧（Ｖj＋Ｖj+1）／２が選択される。さらに、所望の駆動分布３０に近似させるために、１≦ｊ≦３を満足する各ｊに対して電圧（Ｖj−Ｖj+1）が選択される。特に、電圧（Ｖj＋Ｖj+1）／２は、第ｊ番目及び第ｊ＋１番目の電極間の抵抗片の部分の位置にほぼ等しい位置上の所望の駆動分布３０の平均値にほぼ等しく選択される。電圧（Ｖj−Ｖj+1）は、第ｊ番目及び第ｊ＋１番目の電極間の抵抗片の部分の位置にほぼ等しい位置上の所望の駆動分布３０の平均の傾斜にほぼ等しく選択される。
【００１９】
図６に示すように、抵抗片５６は、離散的なアクチュエータと共にも用いることができる。この場合、アクチュエータの力は任意の値に仮定することはできず、むしろ、０および図６の右側の図表中の矩形の水平方向の長さにより与えられる０でない何らかの離散的な値の２つの値中の何れかに仮定できる。この場合、駆動閾値８０により、アクチュエータがどちらの状態になるかが決められる。抵抗片は、連続的な電圧分布に対する線型近似を生成するのに用いられる。実際に生じる駆動は、閾値バージョンのものである。駆動分布は、電圧分布が閾値と交差する位置を制御することにより調整できる。
【００２０】
図７に示すように、相関領域の大きさは電気的にも調整することができる。電極５９をフロートさせることができれば、すなわち電極５９の電圧が固定されていなければ、電圧の固定された電極５８と電極６０により境界の定められる領域が新しい相関領域を定義する。この新しい相関領域は以前の領域の２倍の大きさを有する。このように、相関領域の大きさは、種々の電極をフロートさせることにより調整できる。動的に相関領域を調整できることは、固定された接続では得られない、本発明の一つの利点である。
【００２１】
一実施の形態においては、次の関係式に従って、駆動割当が行われる。
【数１】
0004177670.tif 000002
ここで、ｉ＝１・・・Ｎは一枚の用紙の下にあるアクチュエータ行の数、Ｆyはｙ方向の力、Ｔzはｚ軸の周りのトルク、Ｎyはこの一枚の用紙の下の噴流、ｘiは第ｉ行のアクチュエータの位置、ｘは行の平均位置、σは平均からの行の標準偏差を表す。Ｎyとλwとが各噴流の定数であるので、１／Ｎyに比例する（Ｖ1＋Ｖ2）／２とλwに比例するＶ1−Ｖ2を用いて用紙の位置の境界を定める行の抵抗片に２つの電圧を印加することだけが必要である。２つの電圧のみを印加するとしても、このことにより空気の噴流を制御する制御電圧の近似値が生成される。勿論、離散的な駆動の場合には、この過程は、所望の駆動分布に近似させるだけであることを考慮すべきである。
【００２２】
図２〜７の実施の形態には、特定の相関長を有する１次元の駆動が含まれている。２次元の駆動も同様に処理できる。図８には、２次元のアクチュエータシステム１５８が示されている。図２の１次元の抵抗片１８は２次元の抵抗シート６１に置き換えられ、この抵抗シート６１は、抵抗シート接点６４を介してアクチュエータのアレイ６２に電気的に接続されている（明瞭にするために、アクチュエータと接点の一部のみに参照符号が付されている）。アクチュエータのアレイ６２の各アクチュエータは抵抗シート６１と電気的に接触している。電極６６が、抵抗シート６１に接触している位置でその位置の抵抗シート６１の電圧を固定している。あるいは、抵抗シート６１は、互いに接続されている抵抗片の格子、または個別の抵抗器の格子により置き換えることができる。
【００２３】
抵抗シート上に置かれた電極６６の電圧は、アクチュエータのアレイ６２を制御するための所望の２次元電圧パターンを生成するように選択される。４個の電極の長方形のアレイ上の４個の電圧を適当に調節するために、直交する２つの方向の平均値と平均勾配とを調整することができる。例えば、それぞれ電圧Ｖ1，・・・，Ｖ4を有する４個の電極６８〜７１を図８に目立たせて表示した。直交座標系の原点を電圧Ｖ3の位置に取り、（０，１）の位置の電圧Ｖ1、（１，１）の位置の電圧Ｖ2、及び（１，０）の位置の電圧Ｖ4を用いると、これらの位置に隅を有する正方形中の電圧は、
Ｖ（ｘ，ｙ）＝Ｖ3（１−ｘ）（１−ｙ）＋Ｖ1（１−ｘ）ｙ＋Ｖ4ｘ（１−ｙ）＋Ｖ2ｘｙ
で与えられる。電圧Ｖ1，・・・，Ｖ4を変化させることにより、種々の２次元駆動分布が得られる。
【００２４】
アクチュエータシステム１５８の時間応答は、次の事を認識することにより決定できる。すなわち、正方形あたりの抵抗がＲ（このように、長さＬ、幅ｗのシートの線分のシート抵抗はＲＬ／ｗであり、Ｌ＝ｗである正方形ではその抵抗はＲである）で、単位面積あたりの容量がＣである容量層上の抵抗シート６１中の電圧は、
【数２】
0004177670.tif 000003
で与えられる。したがって、距離Ｌを「拡散させる」ための電圧に対する時定数は、
ｔ＝ＲＣＬ2
で与えられる。
【００２５】
かくして、抵抗シート６１のＲとＣとは、所望の時間応答により束縛される。素早い時間応答は、小さなＲ、Ｃ及びＬにより実現される。１０〜１００マイクロ秒の時間応答は、アモルファスシリコン、結晶性シリコン、ポリアニリンなどの有機導体等により容易に達成できる。
【００２６】
本発明の原理を適用することにより、アクチュエータシステムを制御するのに必要な配線数が減少する。さらに、データフローを極めて大きく減少させることができる（用紙の場合、２個のアナログ電圧だけで用紙に対する力ＦyとトルクＴzとを制御できる）。また、本発明の原則により、スマートマター方式において、局所的センサからの局所的制御と多数のアクチュエータを用いた優れたスケーリングとが可能となる。スマートマターのアクチュエータを、個別にではなく、グループ化の大きさが調整可能なグループ毎に指定することにより、効率化できる。更なる利点は、駆動の平均値の変動（または傾き）をアクチュエータ毎に調整できることである。線の数は２５以上の係数単位に減少できる。実時間動作システムにおけるデータ速度は平均値としてのみ大きく減少できる。選択的に、アクチュエータアレイに伝送すべき傾きも大きく減少できる。
【００２７】
相関領域の大きさは一時的にも制御できる。図９を参照すると、抵抗シート６１が容量層７６上に配置されたアクチュエータシステム６０の断面が示されている。電圧は式１に従う。点源に対しては、この式はガウス解を有する。初期ガウス解９０はｔ＝１における後のガウス解９２より大きい標準偏差を有している。この標準偏差は時間とともに増加する。したがって、サンプルホールドシステムを用いて制御電圧を種々の時間間隔でサンプリングすることにより、相関領域の幅を制御することができる。
【００２８】
図１０を参照すると、アクチュエータの応答を生成するフローチャートが示されている。ステップ１００において、複数のアクチュエータ行が抵抗片に電気的に接続される。これらのアクチュエータは制御信号に応じて力を及ぼすことができる。ステップ１０２において、第１の電極を介して第１の電圧が抵抗片に加えられる。続いて、ステップ１０４において、第２の電圧が第２の電極を介して抵抗片に加えられる。第１の電圧と第２の電圧の電圧を印加することにより、アクチュエータにアクチュエータ応答を生じさせる制御信号が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のアクチュエータシステムを示す図である。
【図２】  本発明の教示に従ったアクチュエータシステムを示す図である。
【図３】  本発明の教示に従い、所望の駆動分布に近似した駆動分布を生成する多数の図２のアクチュエータシステムを示す図である。
【図４】  本発明の教示に従ったアクチュエータシステムの他の実施の形態を示す図である。
【図５】  図４のアクチュエータシステムと、本発明の教示に従い、所望の駆動分布に近似した、図４のアクチュエータシステムにより生成される近似駆動分布とを示す図である。
【図６】  本発明の教示に従いアクチュエータが離散値を生成する図４のアクチュエータシステムを示す図である。
【図７】  本発明の教示に従い一つの電極がフロート状態となり得る図４のアクチュエータシステムを示す図である。
【図８】  本発明の教示に従う２次元アクチュエータシステムを示す図である。
【図９】  本発明の教示に従い抵抗シートが容量層上に配置されたアクチュエータシステムの断面を示す図である。
【図１０】  本発明の教示に従いアクチュエータシステムを用いて力を加えるためのフローチャートである。
【符号の説明】
１２〜１６，４１〜５５  アクチュエータ行、１８，５６  抵抗片、２０〜２４，２６，２８，３１〜３４，５７〜６０，６６，６８〜７１  電極。
【図１】
0004177670.tif 000004
【図２】
0004177670.tif 000005
【図３】
0004177670.tif 000006
【図４】
0004177670.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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