JP2007524339A - 多方向圧電モータ配置 - Google Patents

Abstract

複数の圧電モータ（３１、３２）の各々の連結部（４８）をボディの表面に押圧することによって複数の圧電モータをボディに連結することと、ボディを動かすために表面に平行な（５３）力を加えるようにモータの少なくとも一つを制御することと、その連結部が実質的に表面に垂直な（５１）振動のみを行うように少なくとも１つのモータを同時に制御することと、からなる、ボディ（２３）を動かす方法。

Description

本発明は可動要素に運動を提供することに関連し、特に圧電モータを使用して一つ以上の方向に可動要素の運動を提供することに関する。

ほとんどの圧電モータは、一般に、モータが連結する可動要素に、唯一つの直線（以下、「運動軸」と称する）に沿った後方および前方への運動を与える。可動要素に一つ以上の運動軸に沿って選択的に運動を与えるためには、一般に比較的に複雑な動力伝達装置が使用され、所望の異なる運動軸のそれぞれに対して異なる圧電モータを可動要素に連結させる。

例えば、ステージに取り付けられた要素をｘ軸及びｙ軸に沿ったｘｙ座標平面内の任意のｘｙ座標に位置決め可能なｘｙ位置決めステージを提供するために、ステージは一般にｙ軸ステージ上に載置されたｘ軸ステージから構成される。ステージをｘ軸方向に動かしてステージを与えられた所望のｘ座標に位置決めするように制御可能なモータにｘ軸ステージは連結されており、ｙ軸ステージをｙ軸に沿って動かすように制御可能なモータにｙ軸ステージは連結されている。所与のｘｙ座標に要素を配置するために、ｘ軸およびｙ軸ステージをそれぞれｘ軸およびｙ軸に沿って動かして要素を所望のｘｙ座標に位置決めするように、ｘ軸およびｙ軸モータが制御される。

本発明の一部の実施形態の一つの態様は、モータがボディを異なる運動軸に沿って選択的に動かすように制御可能にするための、圧電モータを可動ボディに連結する改良された方法を提供することに関する。

本発明の一部の実施形態の一つの態様は、各モータが別のモータとは独立にボディに選択的に運動を伝達するように、同じ可動ボディに連結した複数の圧電モータによって運動を伝達することに関連する。

本発明の実施形態によれば、複数の圧電モータは、既知の方法及び手段を使用して、各モータの部分（以下、「連結部」）を表面部分（以下、「接触面」）に押圧することによって可動ボディに連結する。各モータは、選択的に可動ボディの接触面に実質的に垂直及び／又は実質的に平行な連結部を励振するように制御可能である。所与のモータが励振されていないときには、その連結部は可動ボディの接触面に常に押圧されており、ボディの接触面とモータの連結部との間の摩擦力は比較的に大きい。任意選択的に、圧電モータの連結部は、既知の方法及び材料を使用してモータの表面に取り付けられた耐摩耗性の「摩擦ナブ」であり、説明の便宜のため、以下、圧電モータの連結部を摩擦ナブと仮定する。

複数のモータのうち所与の少なくとも一つが可動ボディに運動を伝達するようにモータを制御するために、その少なくとも一つのモータは摩擦ナブの運動がボディの接触面に実質的に平行な力を加えるように制御される。本発明の実施形態により、別のモータは、各摩擦ナブに接触面に実質的に垂直な振動を発生させるように制御される。以下、本発明の実施形態により可動ボディに運動を伝達するように操作されるモータを「作動」モータ、実質的に垂直な振動のみを行うように制御されるモータを「非作動」モータと呼ぶ。

一般に作動モータは、接触面に対して実質的に垂直な振動と、接触面に対して実質的に平行な振動との両方をその摩擦ナブに同時に発生させるように制御される。通常は、振幅、周波数、及び垂直振動と平行振動との相対的な位相は、摩擦ナブに楕円または円振動を発生させるようなものとなる。作動モータの摩擦ナブにおける垂直振動は、モータの摩擦ナブと可動ボディの接触面とを引き離しては摩擦接触に戻すことを繰り返す。各垂直振動サイクルの接触時間中、作動モータは可動ボディに連結し、平行振動によるモータの摩擦ナブの運動がボディに運動を伝達する。垂直振動と平行振動との間の位相関係によって、接触時間中に摩擦ナブは平行振動に平行な一方または他方の方向へボディに運動を伝達する。

本発明の一部の実施形態において、可動ボディの接触面に平行な力を加えるために、パルスモードで動作するように作動モータが制御される。パルスモードでは、ボディに運動を伝達するために、非対称な電圧のパルスが圧電モータ内に備えられる電極に印加される。圧電モータのパルス動作モードは、米国特許第5,453,653号（その開示内容は参照により本願に取り込まれる）に記載されている。

本発明の一部の実施形態において、実質的に可動ボディの接触面に平行な力のみを加える屈曲運動を発生させるようにモータが制御される直流モードで作動するように、作動モータは制御される。直流モードでは、屈曲運動を発生させて、第１の位置から第２の位置へ可動ボディを変位させるために、制御装置はモータ内に備わる少なくとも一つの電極に直流電圧を給電する。ボディを第２の位置に保持することが求められる限り、少なくとも一つの電極への直流電圧が維持される。直流動作モードは米国特許出願第10/206,717号（その開示内容は参照により本願に取り込まれる）に記載されている。

説明を分かり易くするために、以下、作動モータは垂直及び平行振動がモータの摩擦ナブに同時に発生するモードで作動すると仮定する。

非作動モータの摩擦ナブにおける垂直振動の結果、各垂直振動サイクル中の比較的に短い時間、各モータの摩擦ナブはボディから引き離される。任意選択的に、非作動モータの垂直振動の振幅は、各垂直振動サイクル中に非作動モータがボディに接触する時間の長さを調整して最小化するように制御される。結果として、ボディの運動に対抗する、非作動モータの摩擦ナブと可動ボディとの間の摩擦力が実質的に軽減され、所定の少なくとも一つの作動モータは、非作動モータからの干渉を最も少なくしつつ、ボディに運動を伝達する。

本発明の一部の実施形態において、作動モータの摩擦ナブが接触面に接触しているときに非作動モータの摩擦ナブがボディと接触しないように、非作動モータ及び作動モータにおける垂直振動は同期される。そのような実施形態のために、あたかも他方の非作動モータがボディに連結していないかのように、実質的に作動モータが可動ボディに運動を伝達する。

本発明の一部の実施形態において、作動モータは可動ボディの重心から変位した作用線をもつ力を可動ボディ上にもたらし、可動体をその重心の周りに回転させるトルクを発生させる。本発明の一部の実施形態において、複数のモータの少なくとも２つは作動モータであり、ボディを所望の回転軸の周りに回転させるためのトルクを発生させるように制御される。

本発明の一部の実施形態において、複数のモータのうちの一つのモータ（アンカーモータ）は、その摩擦ナブが可動ボディの接触面の「アンカー部」に常に接触するように制御される。複数のモータの少なくとも一つは作動モータであり、他のモータは非作動となる（つまり、それらの摩擦ナブが実質的に垂直振動のみを行う）ように制御される。少なくとも一つの作動モータは、アンカー部の周りに可動ボディを回転させるトルクをアンカー部の周囲に発生させる。

従って、複数の圧電モータの各々の連結部をボディの表面に押圧することによって複数の圧電モータをボディに連結することと、ボディを動かすために表面に平行な力を加えるようにモータの少なくとも一つを制御することと、モータの少なくとも一つの連結部が表面と実質的に垂直な振動のみを行うように、モータの少なくとも一つを同時に制御することと、からなるボディを動かす方法が提供される。

任意選択的に、表面に平行な力を加えるようにモータを制御することは、モータの連結部が表面に平行な振動成分を伴って振動するようにモータを制御することを含む。任意選択的に、本方法は、連結部がボディの表面に垂直な振動成分を伴って同時に振動するようにモータを制御することを含む。

本発明の一部の実施形態において、各モータは、その動作を制御するために給電を受ける電極を備える。

本発明の一部の実施形態において、表面に平行な力を加えるようにモータを制御することは、電極の少なくとも一つにパルス電圧を給電することを含む。

付加的に又は代替的に、表面に平行な力を加えるようにモータを制御することは、前記電極の少なくとも一つに直流電圧を給電することを含む。

本発明の一部の実施形態において、本方法は、第１の方向と第２の方向のいずれかに沿って選択的に可動となるように可動ボディを拘束する支持構造体に可動ボディを取り付けることを含む。任意選択的に、複数のモータを連結することは、モータの少なくとも一部が表面に第１の方向へ力を加えるように制御可能となるようにモータの少なくとも一部を連結することと、モータの一部がボディに第２の方向へ力を加えるように制御可能となるようにモータの一部を連結することと、を含む。

本発明の一部の実施形態において、本方法は、同一平面に平行な任意の方向にボディを自由に動かすことを可能にする支持構造体に、ボディを取り付けることを含む。任意選択的に、前記複数のモータを連結することは、前記平面に平行な第１の方向へ前記表面に力を加えるように制御可能な第１のモータ対と、前記平面に平行な第２の方向へ前記表面に力を加えるように制御可能な第２のモータ対とを連結することを含む。任意選択的に、本方法は、ボディをそれぞれ第１又は第２の方向へ動かす力を表面に加えるように第１又は第２のモータ対を制御することと、力の結果生じる正味のトルクが実質的にゼロに等しくなるようにモータを制御することと、を含む。任意選択的に、本方法は、表面に平行な力を加える少なくとも一つのモータがボディを特定の部分の周りに回転させるトルクを発生させるように、モータのうちの第１のモータの接触部がボディの表面の特定の部分と常に接触するように、第１のモータを制御すること、を含む。付加的に又は代替的に、本方法は、２つのモータの接触部を通る直線上の点の周りにボディを回転させるトルクを発生させるように、モータ対をなすモータを制御すること、を含む。

本発明の一部の実施形態において、複数のモータは、ボディの第２の位置においては複数のモータに含まれない少なくとも一つのモータを、ボディの第１の位置において含む。任意選択的に、本方法は、第２の位置では複数のモータに含まれない少なくとも一つのモータを、第１の位置において表面に平行な力を加えるように制御すること、を含む。

更に、本発明の実施形態により、複数の圧電モータと、ボディを動かすために表面に平行な力を加えるようにモータの少なくとも一つを制御し、かつ同時に、表面に実質的に垂直な振動のみを行うようにモータの少なくとも一つを制御する制御装置と、を備える、ボディを動かすための機器が提供される。

任意選択的に、ボディの表面は平面である。任意選択的に、本機器は、ボディを平表面に平行な第１の方向にのみ自由に動くことを可能にするボディに連結した第１の支持構造体と、第１の構造体を平表面に平行な第２の方向にのみ自由に動くことを可能にする第１の構造体に連結した第２の支持構造体と、を含み、モータの少なくとも一つは、表面に平行な第１の方向に力を加えるように制御可能であり、モータの少なくとも一つは、表面に平行な第２の方向に力を加えるように制御可能である。任意選択的に、本機器は、その上に平表面を載置し、表面に平行な任意の方向に表面を自由に移動可能にする、複数のベアリングを含む。

任意選択的に、複数のモータは、表面に第１の方向へ力を加えるように制御可能な第１のモータ対と、表面に第２の方向へ力を加えるように制御可能な第２のモータ対と、を含む４つのモータからなる組の少なくとも１組を含む。任意選択的に、第１又は第２の方向にボディを動かすために、モータが表面に加える力の結果として生じる正味のトルクが実質的にゼロに等しくなるように、制御装置は第１又は第２のモータ対をそれぞれ制御する。本制御装置は、任意選択的に、少なくとも１つのモータの接触部が常に表面の特定の部分に接触するように少なくとも１つのモータを制御し、少なくとも一つのモータに加えられる表面に平行な力は表面を特定の部分の周りに回転させる。

本発明の一部の実施形態において、本制御装置は、モータの連結部を通る直線上の点の周りに表面を回転させるトルクを発生させるように、第１のモータ対又は第２のモータ対を制御する。

本発明の一部の実施形態において、表面は回転軸を有する円筒面である。任意選択的に、少なくとも一つのモータは、円筒面をその回転軸の周りに回転させる、表面に平行な力を加えるように制御可能であり、少なくとも一つのモータは、表面をその回転軸方向に並進させる、表面に平行な力を加えるように制御可能である。

任意選択的に、表面は中心を有する球面である。任意選択的に、少なくとも一つのモータは、中心を通る第１の軸の周りに表面を回転させる表面に平行な力を加えるように制御可能であり、少なくとも一つのモータは、中心を通る第２の軸の周りに表面を回転させる表面に平行な力を加えるように制御可能である。

本発明の一部の実施形態において、複数のモータは、ボディの第２の位置においては複数のモータに含まれない少なくとも一つのモータを、ボディの第１の位置において含む。任意選択的に、制御装置は、第２の位置においては複数のモータに含まれない少なくとも一つのモータを、表面に平行な力を加えるように第１の位置において制御する。

本発明の実施形態の非限定的な例を、添付図面を参照しながら以下に説明する。図面においては、一つ以上の図面に現れる同一の構造、要素、又は部分は、概してそれが現れる全ての図面において同じ番号が付されている。図面に示される構成要素及び特徴の寸法は、説明の便宜及び明瞭さのために選ばれており、必ずしも一定の縮尺で示されてはいない。

図１は、本発明の実施形態により、複数の圧電モータを可動ボディに連結させるための配置２０を概略的に示し、２つの選択可能な軸の各々に沿ってボディに直線運動を提供するようにモータを操作している様子を説明している。議論に関連する特徴の方向及び位置については、座標系２１を参照する。

例として、可動ボディはプレート２２（以下、１対のｘ軸スライダー２４に取り付けられた「運動プレート」と称する）であり、このプレートは１対のｙ軸スライダー２６にも取り付けられている。プレートがスライダーによって支持され、スライダーに対してｘ軸方向に沿って後方又は前方に比較的に容易にプレートを動かすことができるように、運動プレート２２は既知の様々な方法及び手段のいずれかを使用してｘ軸スライダー２４に取り付けられている。ｙ軸スライダー２４と比べてｘ軸スライダー２４を比較的に容易にｙ軸方向に沿って後方又は前方に動かすことができるように、既に利用可能な様々な方法を用いてｘ軸スライダー２４はｙ軸スライダー２４に取り付けられている。通常は図１の斜視図の視界から隠れてしまう運動プレート２２の下方に配置されている要素を表示するために、運動プレート２２が幽霊線で示されている。

複数の圧電モータは任意選択的に２つのモータ３１及び３２を含み、これらは運動プレート２２の底面３４に連結している。本発明の実施形態により、モータ３１及び３２は、それぞれ「ｘ軸」及び「ｙ軸」モータであり、それらは後述のように運動プレート２２をｘ軸及びｙ軸方向にそれぞれ動かすように動作する。

本発明の実施形態により、実質的に、垂直及び／又は平行な振動を選択的に行うように制御可能な連結部（例えば、摩擦ナブ（friction nub））を有する任意の圧電モータを、本発明の実施に使用することができる。しかしながら、説明の便宜上、ｘ軸モータ３１及びｙ軸モータ３２は、欧州特許出願公開第EP 0,755,054号（その開示内容は参照により本願に取り込まれる）、又は前述の米国特許第5,453,653号に記載のモータに類似したものと仮定する。

各モータ３１及び３２は、２つの比較的に大きな平表面４２を有する適切な圧電材料から形成される薄い矩形プレート４０を任意選択的に備える。圧電プレート４０は、長い側端面４４と、短い上端面４６及び底端面４７とをそれぞれ有する。任意選択的に、摩擦ナブ４８は上端面４６上に配置される。摩擦ナブ４８は、好ましくはアルミナ等の耐水材料から形成される。コイル、板ばね、又は弾性材料から形成されたボディ等の適切な弾性要素（図示せず）が、底（モータを底面に連結させるための運動プレート２２の接触面２３）にモータの摩擦ナブ４８を弾性的に付勢するために、各モータ３１及び３２の底端面４７を押圧する。

任意選択的に、各モータ３１及び３２の表面４２の１つは、４つの「四分割（quadrant）電極」５０を有する。四分割電極５０のそれぞれは、表面４２の異なる四分割面の実質的に全体を覆う。各モータの別の表面４２は、任意選択的に、表面４２の全体を実質的に覆う比較的に大きな電極（図示せず）を有する。制御装置５２は、各モータ３１及び３２の四分割電極５０に連結されており、圧電プレート４０と、延いては摩擦ナブ４８を励振するために、大型電極に対して四分割電極に給電する。

制御装置５２は、任意の様々な既知の方法を使用して、運動プレート２２の底面２３に対して選択的に垂直及び／又は平行な振動を摩擦ナブ４８に励振するために、適切な配置の電極に給電する。なお、圧電プレート４０を基準にしたときの垂直及び平行な振動とは、慣用的には縦振動及び横振動と称されている。縦振動は圧電プレートの長寸法に平行であり、横振動は圧電プレートの大きな面の短寸法に平行である。

例えば、摩擦ナブ４８に垂直な振動を励振するために、制御装置５２は任意選択的に大型電極に対して全ての四分割電極５０に同じＡＣ電圧を給電する。摩擦ナブ４８に垂直及び平行な振動の両方を、そしてその結果、楕円振動を励振するために、任意選択的に制御装置５２は、同じ対角線上の四分割電極には同じＡＣ電圧を、別の対角線上の四分割電極には１８０°位相のずれたＡＣ電圧を給電する。代替的に、摩擦ナブ４８に楕円振動を励振するために、同じ第１の長端面４４に沿った四分割電極５０に同じＡＣ電圧を給電し、第２の長端面４４に沿った四分割電極５０をフロートにする。ｘ軸及びｙ軸モータ３１及び３２の楕円振動は、モータの圧電プレート４０の面内に生じる。

摩擦ナブの垂直振動は、同じ短端面４６又は４７に沿って同じＡＣ電圧を四分割電極５０に給電し、別の四分割電極をフロートにすることによって励振される。代替的に、垂直振動は、大型電極に対して全ての四分割電極５０に同じ電圧を給電することによって励振される。

摩擦ナブ４８に垂直及び／又は平行な振動を発生させるためにモータ３１及び３２の電極配置に似た電極配置に給電する方法が、例えば、上記参照したＰＣＴ国際公開第WO 00/74153号及び米国特許第5,453,653号に記載されている。本発明の実施に適した垂直及び／又は平行な振動を励起できる、図１に示されるものとは別の配置を有する圧電モータの例は、上記で引用したＰＣＴ国際公開第WO 00/74153号その他の参照文献にも記載されている。

本発明の実施形態により、運動プレート２２を、例えば、正のｙ軸方向に動かすために、制御装置５２はｘ軸モータ３１の四分割電極５０に給電して、ｘ軸モータに垂直振動を、また、ｙ軸モータ３２に（制御装置５２の位置からみて）時計回りの楕円振動を励振する。ｘ軸モータ３１の垂直振動は、モータの摩擦ナブ４８に対応する垂直振動（太い両矢印５１で図示される）を発生させる。ｙ軸モータ３２の時計回りの楕円振動は、摩擦ナブ４８に対応する時計回りの楕円振動（楕円５３で図示される）を発生させる。

ｘ軸モータ３１の垂直振動５１は、各振動サイクルの少なくとも一部分の間、実質的に運動プレート２２からモータを切り離す。ｙ軸モータ３２の楕円振動５３は、運動プレート２２に正のｙ軸方向へ運動を伝達する。ｘ軸モータ３１が運動プレート２２から実質的に切り離されているため、ｘ軸モータの摩擦ナブ４８とプレート２２との間の摩擦力（この摩擦力はプレート２２の運動を妨げる）が実質的に軽減される。結果として、ｘ軸モータ３１からの干渉をほとんど又は実質的に受けること無く、ｙ軸モータ３２はｙ軸方向のプレートの運動を制御する。

本発明の一部の実施形態において、ｘ軸モータ３１の垂直振動はｙ軸モータ３２の楕円振動に１８０°位相をずらして同期している。結果として、ｙ軸モータ３２の摩擦ナブ４８が運動プレート２２の底面２３と接触するときに、ｘ軸モータ３１の摩擦ナブ４８はプレート２２とは接触せず、ｙ軸モータ３２によって底面に加えられる力が、あたかもｘ軸モータが無いかのようにプレート２２へ作用する。ｘ軸モータ３１とｙ軸モータ３２との位相のずれた動作は、ｙ軸モータがプレート２２に並進運動を伝達する効率を実質的に最大にする。当然ながら、ｘ軸モータ３１の摩擦ナブ４８が運動プレート２２の底面２３に接触していないときには、摩擦ナブはプレートの運動に対抗する比較的に小さな摩擦力をプレート２２に加える。この比較的に小さな摩擦力のために、ｙ軸モータ３２によって加えられる調整力は、運動プレート２２による運動エネルギーの損失を容易に補償する。

運動プレート２２をｘ軸方向（例えば、負のｘ軸方向）に沿って動かすためには、ｘ軸モータ３１とｙ軸モータ３２の役割が反対になる。ｘ軸モータに反時計回りの楕円振動を励振させるためには、ｘ軸モータ３１が作動モータとなり、制御装置５２はｘ軸モータの四分割電極５０に給電する。ｙ軸モータ３２は非作動モータとなり、制御装置５２はｙ軸モータに垂直振動を励振させるためにｙ軸モータの四分割電極５０に給電する。

図２は、本発明の実施形態により、可動要素に連結された圧電モータの別の配置を概略的に示している。例として、可動要素は運動プレート２２である。運動プレート２２は、その上に運動プレートが置かれる複数のローラー・ベアリング６４からなるベアリングプレート６２の上に載置される。ベアリング６４の上に載置する結果、運動プレート２２はベアリングプレート６２の面に平行な任意の方向に自由に動くことができる。

例として、本発明の実施形態により、図１に示すモータ３１及び３２に構造が類似した４つの圧電モータ７１、７２、７３及び７４は、運動プレート２２の運動及び位置決めを制御する。モータは、ベアリングプレート６２における引用符号６４の穴を通って突出し、運動プレート２２の底面２３を押圧するために弾性的に付勢されるように、任意の様々な既知の方法を使用して、ベアリングプレート６２の下方に配置された支持構造体（図示せず）上に任意選択的に取り付けられる。モータ７１及び７３はｘ軸モータであり、モータ７２及び７４はｙ軸モータである。モータは制御装置５２によって制御される。任意選択的に、各ｘ軸モータ７１及び７３は、ｙ軸モータ７２及び７４から等距離にあり、各ｙ軸モータは各ｘ軸モータから等距離にある。

本発明の実施形態により、モータ７１、７２、７３及び７４は、運動プレート２２を選択的にｘ軸又はｙ軸方向に動かすように、及び／又は、運動プレート２２を回転させるように制御される。例えば、運動プレート２２をｘ軸に平行に負のｘ軸方向に動かすために、制御装置５２は、運動プレート２２からｙ軸モータを切り離す垂直振動（両矢印７６により概略的に図示される）を行うために、任意選択的にｙ軸モータ７２及び７４を励振する。任意選択的に反時計回りの楕円振動（楕円７５及び７７により概略的に図示される）を行い、運動プレート２２に負のｘ軸方向へ力を加えるために、制御装置５２はｘ軸モータ７１及び７３を励振する。

なお、図２に示される本発明の例示的な実施形態又は類似の配置に対して、運動プレート２２をｘ軸に平行に動かすためには、一般に、ｘ軸方向に沿って力を加えるために少なくとも２つの圧電ｘ軸モータが励振される必要がある。もし、運動プレート２２に力を加えるために唯一つのｘ軸モータのみが励振されると、運動プレート及びそれに取り付けられた任意の負荷を合わせた質量の重心を通り運動プレートに垂直な線を力の作用線が横切らない限り、力は運動プレートを回転させるトルクを発生させる。そのような回転を防ぎ、運動プレート２２及びその負荷をｘ軸と平行に動かすために、本発明の実施形態により、少なくとも２つの圧電モータを動作させてプレートにｘ軸方向へ力が加えられる。少なくとも２つのモータによって加えられる力は、プレート上の正味のトルクと負荷がゼロに等しくなるように、釣り合わされる。

力を釣り合わせるために、任意選択的に、既知の適切な少なくとも一つの位置モニタ及び／又は少なくとも一つの加速度計を使用して、運動プレート２２の位置及び／又は加速度が監視される。制御装置５２は、少なくとも一つの位置モニタ及び／又は少なくとも一つの加速度計から入力信号を受信して、運動プレート２２の望ましくない回転及び／又は運動プレートへの正味のトルクの作用があるかどうかが決定される。制御装置は、運動プレートがｘ軸に平行に動くようにモータが運動プレート加える力を釣り合わせるために、決定された回転及び／又はトルクに応じて、少なくとも二つの圧電モータ（例えば、図２に示される典型的な事例に対しては、ｘ軸モータ７１及び７３）を制御する。

ｘ軸モータ７１及び７３とｙ軸モータ７２及び７４の役割を交換することによって、ｙ軸に平行な運動が提供される。制御装置５２は、垂直振動を起こすためにｘ軸モータ７１及び７３を、楕円振動を起こすためにｙ軸モータ７２及び74を制御する。この垂直振動と楕円振動は、ｙ軸モータがプレート２２に加える正味のトルクが実質的にゼロに等しくなるように制御される。ｘｙ平面に平行で、ｘ軸にもｙ軸にも平行でない運動プレート２２の直線運動は、プレートに運動を伝達するｘ軸モータ及びｙ軸モータを交互に制御することによって近似することができる。

上述の議論から推論されるように、図２に示される配置に類似した、本発明の実施形態による可動ボディに連結された圧電モータを、ボディに直線運動のみならず回転運動も提供するように制御することができる。例えば、運動プレート２２を、本発明の実施形態により、運動プレートと任意の圧電モータ７１、７２、７３及び７４の摩擦ナブ４８との間の接触点の周りを回転するように制御することができる。

ｘ軸モータ７１の摩擦ナブ４８が運動プレートに接触する点の周りに、運動プレート２２を（運動プレートの上方のｚ軸上の点から見て）時計回りに回転させることが望まれていると仮定する。その結果、制御装置５２は、運動プレート２２との一定の接触を維持するためにｘ軸モータ７１を振動しないように制御し、任意選択的に、ｙ軸モータ７２及び７４を垂直振動させながらｘ軸モータ７３を時計回りに楕円振動させるように制御する。ｘ軸モータ７１の摩擦ナブ４８間の摩擦接触は、運動プレート２２の摩擦ナブと運動プレートとの接触点の平行移動を阻害し、ｙ軸モータ７２及び７４の垂直振動がｙ軸モータを運動プレートから切り離す。ｘ軸モータ７３の楕円振動は、運動プレートを接触点の周りで回転させるトルクを発生させる力を加える。

ｘ軸モータ７３及びｙ軸モータ７２と７４のうちの一方を制御することによって、垂直振動を起こすために運動プレート２２を接触点の周りに回転させることは当然可能である。ｙ軸モータ７２と７４のうちの他方は、運動プレート２２を時計回りに回転させるトルクを発生させるために、時計回りの楕円振動を行うように制御される。しかしながら、トルクを発生させるためにｙ軸モータを使用して圧電モータ７１の摩擦ナブ４８とプレートとの接触点の回りに運動プレート２２を回転させることは、図２に示される配置に対して、一般にトルクを発生させるためにｘ軸モータ７２を使用するよりも効率が悪い。所定の力に対して、ｙ軸モータ７２又は７４はｘ軸モータ７３よりも短いモーメントの腕に作用する。

本発明の実施形態により、モータの一つの摩擦ナブ４８とプレートとの接触点以外の点の周りに運動プレート２２を回転させるように、モータ７１、７２、７３及び７４を制御することも可能である。例えば、適切な力を運動プレートの底面２２に加えるようにｘ軸モータを制御することによって、運動プレート２２とｘ軸モータ７１及び７３の摩擦ナブ４８との接触点と通って延びる直線上の実質的に任意の点の周りに運動プレート２２を回転させることができる。

図３は、本発明の別の実施形態により、複数の圧電モータを運動プレート２２に連結させるための別の配置８０を概略的に示している。

図２に示される構成６０と同様に、配置８０においては、その上に運動プレート２２が載置されるローラー・ベアリング６４を有するベアリングプレート６２に運動プレート２２が取り付けられている。しかしながら、運動プレート２２の運動を制御するために４つの圧電モータ７１、７２、７３及び７４が使用される図３の配置８０とは異なり、配置８０においては、運動プレートの運動を制御するために４つより多い複数の圧電モータが使用される。所定の大きさの運動プレート２２に対して、図３に示される複数のモータは、配置８０よりも大きな運動プレートの位置決め範囲を提供する。

複数のモータは、複数のｘ軸モータ８１及び複数のｙ軸モータ８２からなる。ベアリングプレート６２上の運動プレート２２の実質的に任意の位置に対して、少なくとも２つのｘ軸モータ８１と少なくとも２つのｙ軸モータ８２を運動プレートの底面２３に接触させて、運動プレートに運動を伝達させるように制御できるように、モータを配置することができる。任意選択的に、ｘ軸モータ８１及びｙ軸モータ８２は、各グループが２つのｘ軸モータと２つのｙ軸モータから構成されるように、４つのグループに分けられる。４つのモータからなる同じグループに属するｘ軸及びｙ軸モータは、ベアリングプレート６２の同じ穴８４を通って突出する。任意選択的に、４つのモータからなる同じグループに属するモータは、図２に示される配置６０においてｘ軸モータ７１と７３及びｙ軸モータ７２と７４の配置のされ方と同様に互いに対して配置される。

運動プレート２２を動かすために、図２に示されるｘ軸及びｙ軸モータ７１、７２、７３及び７４が運動プレート２２を動かすために制御される方法と同様に、ｘ軸モータ８１とｙ軸モータ８２とが制御装置５２によって制御される。しかしながら、本発明の実施形態により、図２に示される配置８０によって提供される範囲より実質的に広いｘ軸距離範囲及びｙ軸距離範囲にわたって運動プレート２２を動かすようにｘ軸モータ８１とｙ軸モータ８２を制御することができる。ｘ軸モータ８１の唯一つの組がプレートを動かせる距離よりも大きなｘ軸距離にわたって運動プレートを動かすために、一対のｘ軸モータ８１から次の一対のｘ軸モータへ運動プレート２２を「手渡す」ようにｘ軸モータ８１を制御することができる。同様にして、ｙ軸モータ８２の唯一つの対がプレートを動かせる距離よりも長いｙ軸距離にわたって運動プレートを動かすために、一対のｙ軸モータ８２から次の一対のｙ軸モータへ運動プレート２２を手渡すようにｙ軸モータ８２は制御可能である。

例えば、座標系２１の原点から正のｘ軸方向へ最も遠くに配置されたｘ軸モータ対ではない、第１のｘ軸モータ対８１を考える。第１のｘ軸モータ対８１が正のｘ軸方向に沿って、それ以上はプレートを正のｘ軸方向に動かすことのできない位置まで運動プレート２２を動かす前に、プレート２２は第２のｘ軸モータ対８１を越えた位置に到達する。ｘ軸モータ８１又はｙ軸モータ８２の第２の対は、正のｘ軸方向にプレートを動かし続けるように制御可能である。

本発明の実施形態により、ｘ軸モータ８１又はｙ軸モータ８２の第１の対からｘ軸モータ８１又はｙ軸モータ８２の第２の対への運動プレート２２の滑らかな受け渡しを容易にするために、運動プレート２２の底面２３は端部に沿って傾斜が付けられている。加えて、ｘ軸圧電モータ８１又はｙ軸圧電モータ８２を底面２３に向けて付勢する弾性要素の運動は、モータが運動プレート２２の下方にないときに、その摩擦ナブ４８は底面２３の傾斜した端部より上に突出しないように制限される。結果として、運動プレート２２がｘ軸又はｙ軸圧電モータに接近して通過すると、モータの摩擦ナブ４８は徐々にかつ滑らかに底面と接触する。

図４Ａから図４Ｄは、図３に示される配置の線ＡＡで示される面における概略的な断面図を示す（図面では、説明の便宜上、ベアリングプレート６２は図示されていない）。この断面図は、本発明の実施形態により、第１のｘ軸モータ対８１がプレートをｘ軸方向に動かす位置から第２のｘ軸モータ対８１がプレートをｘ軸方向に動かす位置へ動いている運動プレート２２を説明する。矢印９０は、プレート２２の運動の方向を示す。図４Ａ〜４Ｄには、議論に密接な関係のある特徴のみが示されている。図３に示されるベアリングプレート６２は図４Ａ〜４Ｄには示されておらず、第１のｘ軸モータ対８１のうちの唯一つのｘ軸圧電モータ９１と、第２のｘ軸モータ対８１のうちの一つのｘ軸圧電モータ９２が図示されている。

座標系２１のｘｙ平面（図３）に平行な比較的に大きな水平面１０２と端部１００に沿った傾斜面１０４とから底面が構成されるように、底面２３には底面の端部１００に沿って傾斜が付けられている。空間的基準の説明のため、図３に示される座標系２１のｘ軸及びｚ軸が図４Ａ〜４Ｄに示されている。

運動プレート２２の底面２３に向けて、モータを正のｚ軸方向へ上方に付勢する弾性要素１１１及び１１２をそれぞれ有する適切な支持構造体１０６に、各モータ９１及び９２が取り付けられている。弾性要素１１１及び１１２の伸展は、モータ９１又は９２が運動プレート２２の下方にない場合に、モータの摩擦ナブ４８が運動プレートの端部１００より上に（ｚ軸方向に）突出しないように、既知の方法及び手段を用いて、ｚ軸方向に限定される。

図４Ａにおいて、ｘ軸モータ９１は運動プレート２２の下方に配置され、その摩擦ナブ４８は弾性要素１１１によって水平面１０２へ弾性的に押圧されていれる。運動プレート２２をｘ軸方向にｘ軸モータ９２の方へ動かすために、摩擦ナブは楕円１１４で表される時計回りの楕円振動を行う。ｘ軸モータ９２は、運動プレート２２の端部１００の真下に配置されているが、弾性要素１１２の正のｚ軸方向の運動が限定されているため、モータの摩擦ナブ４８が端部を越えて突出することはない。望ましくは、図４Ａに示されるように、弾性要素１１２が伸展の限界にある場合、摩擦ナブ４８は端部１００のｚ座標より少し下方のｚ座標に配置される。

図４Ｂにおいて、既にｘ軸モータ９１は、モータ９２の摩擦ナブ４８が最初に傾斜面１０４に達する位置までｘ軸モータ９２に向けて運動プレート２２を動かしている。ｘ軸モータ９２が傾斜面１０４に達する前に、又は丁度傾斜に達したときに、制御装置５２（図３）は任意選択的に、摩擦ナブと傾斜面との摩擦を軽減するために、両矢印１１６で表される垂直振動を行うようにｘ軸モータ９２を制御する。

図４Ｃにおいて、既にｘ軸モータ９１は、ｘ軸モータ９１とｘ軸モータ９２の両方の摩擦ナブ４８が運動プレート２２の水平面１０２と接触する位置まで運動プレートを移動させている。既に制御装置５２は、運動プレート２２の運動の制御をｘ軸モータ９１からｘ軸モータ９２へ「受け渡し」ている。制御装置は、運動プレートをｘ軸方向に動かし続けるために時計回りの楕円振動１１８を行うようにｘ軸モータ９２を制御しており、また、モータの摩擦ナブ４８と水平面１０２との摩擦を軽減するために垂直振動１２０を行うようにｘ軸モータ９１を制御している。

図４Ｄにおいて、既に運動プレート２２は、ｘ軸モータがそれ以上運動プレートに接触しないよう、ｘ軸モータ９２によってｘ軸方向に動かされている。弾性要素１０６はその最大長さまで伸展しており、摩擦ナブ４８は運動プレートの水平面１０２のｚ軸座標よりも大きいが、端部１００のｚ軸座標よりも小さなｚ軸座標に配置されている。

上述の本発明の例示的な実施形態の記載において、複数の圧電モータによって動かされるボディは平面ボディであるが、本発明の実施は平面ボディに限定されるものではない。本発明の実施形態による複数の圧電モータに連結されるボディは、例えば、円筒形あるいは円形であってもよい。

図５は、本発明の実施形態により、任意選択的に円柱ボディ１３４に連結した２つの圧電モータ１３１及び１３２からなる配置１３０を概略的に示す。モータ１３１が作動で、モータ１３２が非作動のとき、モータ１３１は円柱ボディ１３４をその軸１３６の周りに回転させる。他方、モータ１３１が非作動でモータ１３２が作動のとき、モータ１３２は円柱ボディ１３４をその軸方向に並進させる。

図６は、本発明の実施形態により、任意選択的に球状ボディ１４４に連結した圧電モータ１４１及び１４２を含む配置１４０を概略的に示す。モータ１４１が作動で、モータ１４２が非作動のとき、モータ１４１は球状ボディ１４４を軸１４７の周りに回転させる。他方、モータ１４２が作動で、モータ１４１が非作動のとき、モータ１４２は球状ボディを軸１４８の周りに回転させる。

本出願の明細書及び特許請求の範囲において、「〜を含む」、「〜を備える」、「〜からなる」、「〜から構成される」、「〜を有する」、「〜をもつ」の各動詞及びそれらの同根語は、その動詞の目的語が、その動詞の主語の部材、構成要素、要素又は部品を必ずしも完全に列挙していないことを示すために使用されている。

本発明をその実施形態の詳細な記載によって説明してきたが、それらは例として提供されるものであり、本発明の範囲を限定することを目的としたものではない。記載されている実施形態は様々な特徴を含んでいるが、それら特徴の全てが本発明の全ての実施形態に必要とされるわけではない。本発明の一部の実施形態は、特徴の一部のみ又は可能な特徴の組み合わせを利用する。当業者は、記載されている本発明の実施形態の変形、及び、記載されている実施形態に示される特徴の様々な組み合わせを含む本発明の実施形態を想到するであろう。本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明の実施形態により、複数の圧電モータを可動ボディに連結させる方法を概略的に示し、２つの選択可能な軸の各々の方向へボディに直線運動を提供するようにモータを操作することを説明する図である。 本発明の実施形態により、２つの選択可能な軸の各々の方向へボディに直線運動を提供するために、複数の圧電モータを可動ボディに連結させる別の方法を概略的に示す図である。 本発明の実施形態により、複数の圧電モータを可動ボディに連結させる（複数のモータの全てが同時にボディに連結するとは限らない）方法を概略的に示す図である。 本発明の実施形態により、図３に示されるボディ及びモータの断面図を示し、ボディが動かされたときに、ボディに連結した複数のモータのうちの特定のモータがどのように変化するかを説明する図である。 本発明の実施形態により、図３に示されるボディ及びモータの断面図を示し、ボディが動かされたときに、ボディに連結した複数のモータのうちの特定のモータがどのように変化するかを説明する図である。 本発明の実施形態により、図３に示されるボディ及びモータの断面図を示し、ボディが動かされたときに、ボディに連結した複数のモータのうちの特定のモータがどのように変化するかを説明する図である。 本発明の実施形態により、図３に示されるボディ及びモータの断面図を示し、ボディが動かされたときに、ボディに連結した複数のモータのうちの特定のモータがどのように変化するかを説明する図である。 本発明の実施形態により、円柱ボディに連結した複数の圧電モータを概略的に示す図である。 本発明の実施形態により、球状ボディに連結された複数のモータを概略的に示す図である。

Claims (29)

1. 複数の圧電モータの各々の連結部をボディの表面に押圧することによって、前記モータを前記ボディに連結することと、
   前記ボディを動かすために前記表面に平行な力を加えるように前記モータの少なくとも一つを制御することと、
   前記モータの少なくとも一つの連結部が前記表面と実質的に垂直な振動のみを行うように、前記モータの少なくとも一つを同時に制御することと、
   からなるボディを動かす方法。
2. 前記表面に平行な力を加えるように前記モータを制御することは、前記モータの前記連結部が前記表面に平行な振動の成分を伴って振動するように前記モータを制御することを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記連結部が前記ボディの前記表面に垂直な振動成分を伴って同時に振動するように前記モータを制御することを含む、
   請求項２に記載の方法。
4. 各モータは、その動作を制御するために給電を受ける電極を備える、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記表面に平行な力を加えるように前記モータを制御することは、前記電極の少なくとも一つにパルス電圧を給電することを含む、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記表面に平行な力を加えるように前記モータを制御することは、少なくとも一つの前記電極に直流電圧を給電することを含む、
   ことを特徴とする請求項４又は５のいずれかに記載の方法。
7. 第１の方向と第２の方向のいずれかに沿って選択的に可動となるように前記可動ボディを拘束する支持構造体に前記可動ボディを取り付けることを含む、
   請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記複数のモータを連結することは、前記モータの少なくとも一部が前記表面に前記第１の方向へ力を加えるように制御可能となるように前記モータの少なくとも一部を連結することと、前記モータの一部が前記ボディに前記第２の方向へ力を加えるように制御可能となるように前記モータの一部を連結することと、を含む、
   ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 同一平面に平行な任意の方向に前記ボディを自由に動かすことを可能にする支持構造体に、前記ボディを取り付けることを含む、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
10. 前記複数のモータを連結することは、前記平面に平行な第１の方向へ前記表面に力を加えるように制御可能な第１のモータ対と前記平面に平行な第２の方向へ前記表面に力を加えるように制御可能な第２のモータ対とを連結することを含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記ボディをそれぞれ前記第１又は第２の方向へ動かす力を前記表面に加えるように第１又は第２のモータ対を制御することと、
    前記力の結果生じる正味のトルクが実質的にゼロに等しくなるように前記モータを制御することと、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記表面に平行な力を加える前記少なくとも一つのモータが前記ボディを特定の部分の周りに回転させるトルクを発生させるように、前記モータのうちの第１のモータの接触部が前記ボディの前記表面の前記特定の部分と常に接触するように、前記第１のモータを制御すること、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記２つのモータの前記接触部を通る直線上の点の周りに前記ボディを回転させるトルクを発生させるように、モータ対をなす前記モータを制御すること、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項７又は８のいずれかに記載の方法。
14. 前記複数のモータは、前記ボディの第２の位置においては前記複数のモータに含まれない少なくとも一つのモータを、前記ボディの第１の位置において含む、
    ことを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の方法。
15. 前記第２の位置では前記複数のモータに含まれない少なくとも一つのモータを、前記第１の位置において前記表面に平行な力を加えるように制御すること、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 複数の圧電モータと、
    前記ボディを動かすために前記表面に平行な力を加えるように前記モータの少なくとも一つを制御し、かつ同時に、前記表面に実質的に垂直な振動のみを行うように前記モータの少なくとも一つを制御する制御装置と、
    を備える、ボディを動かすための機器。
17. 前記ボディの前記表面は平面である、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の機器。
18. 前記ボディを前記平表面に平行な第１の方向にのみ自由に動くことを可能にする前記ボディに連結した第１の支持構造体と、
    前記第１の構造体を前記平表面に平行な第２の方向にのみ自由に動くことを可能にする前記第１の構造体に連結した第２の支持構造体と、
    を含み、
    前記モータの少なくとも一つは、前記表面に平行な前記第１の方向に力を加えるように制御可能であり、前記モータの少なくとも一つは、前記表面に平行な前記第２の方向に力を加えるように制御可能である、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の機器。
19. その上に平表面を載置し、前記表面に平行な任意の方向に前記表面を自由に移動可能にする、複数のベアリングを含む、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の機器。
20. 前記複数のモータは、前記表面に第１の方向へ力を加えるように制御可能な第１のモータ対と、前記表面に第２の方向へ力を加えるように制御可能な第２のモータ対と、を含む４つのモータからなる組の少なくとも１組を含む、
    ことを特徴とする請求項１９に記載の機器。
21. 前記第１又は第２の方向にボディを動かすために、前記モータが前記表面に加える力の結果として生じる正味のトルクが実質的にゼロに等しくなるように、前記制御装置は前記第１又は第２のモータ対をそれぞれ制御する、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の機器。
22. 前記制御装置は、少なくとも１つのモータの接触部が常に前記表面の特定の部分に接触するように前記少なくとも１つのモータを制御し、前記少なくとも一つのモータに加えられる前記表面に平行な力は前記表面を前記特定の部分の周りに回転させる、
    ことを特徴とする請求項２１に記載の機器。
23. 前記制御装置は、前記モータの前記連結部を通る直線上の点の周りに前記表面を回転させるトルクを発生させるように、前記第１のモータ対又は前記第２のモータ対を制御する、
    ことを特徴とする請求項１９から２２のいずれかに記載の機器。
24. 前記表面は回転軸を有する円筒面である、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の機器。
25. 少なくとも一つのモータは前記円筒面をその回転軸の周りに回転させる前記表面に平行な力を加えるように制御可能であり、少なくとも一つのモータは前記表面をその回転軸方向に並進させる前記表面に平行な力を加えるように制御可能である、
    ことを特徴とする請求項２４に記載の機器。
26. 前記表面は中心を有する球面である、
    ことを特徴とする請求項２５に記載の機器。
27. 少なくとも一つのモータは、前記中心を通る第１の軸の周りに前記表面を回転させる前記表面に平行な力を加えるように制御可能であり、少なくとも一つのモータは、前記中心を通る第２の軸の周りに前記表面を回転させる前記表面に平行な力を加えるように制御可能である、
    ことを特徴とする請求項２６に記載の機器。
28. 前記複数のモータは、前記ボディの第２の位置においては前記複数のモータに含まれない少なくとも一つのモータを、前記ボディの第１の位置において含む、
    ことを特徴とする請求項１６から２７のいずれかに記載の機器。
29. 前記制御装置は、第２の位置においては前記複数のモータに含まれない少なくとも一つのモータを、前記表面に平行な力を加えるように第１の位置において制御する、
    ことを特徴とする請求項２８に記載の機器。

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