JP4455329B2 - 電気機械モータの高精度制御 - Google Patents

Description

本発明は、概して電気機械モータの制御に関し、特に、ステップ運動の反復に基づいた動作を行うモータに関する。

圧電モータなどの小型電気機械モータは、位置決めを極めて高精度に制御しなければならない場合に用いられることが多い。そのような用途としては、例えば、携帯型消費者デバイス、研究室機材などがある。消費電力、重量および価格を低くしたい場合にも、このようなモータへの需要がある。要求される動作としては線形動作が多いが、回転モータを動作変換機構（例えば、送りネジ）と組み合わせて用いる場合も多い。動作範囲はミリメートルのオーダーが多いが、上記の要求を全て満たす真の小型モータは未だ登場していない。

電気機械モータの構築では、多数の異なる駆動機構を用いることが可能である。１つのアプローチでは、異なる複数のアクチュエータ群の位相シフト動作を用いている。このように、一方に被移動対象物との非スライド機械的接触を同時に持たせ、他方をその対象物をグリップできる適当な位置まで自由移動させる。このようにして、共振周波数よりも低い周波数で僅かなステップ運動を頻繁に繰り返すことにより、その対象物を移動させる。このように、その動作は非動的（ｎｏｎ−ｄｙｎａｍｉｃ）または準静的（ｑｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｃ）な動作である。非動的動作の一つの一般的な機構としては「シャクトリムシ」機構があり、この機構を最初に開示したのは米国特許第３，９０２，０８４号であり、被駆動要素を機械的ステップにおいてクランプ拡張／クランプ解除によって移動させる（例えば、米国特許第５，７５１，０９０号を参照）。

米国特許第６，１８４，６０９号において、非動的駆動機構に基づいた圧電モータが開示されている。この機構は、「シャクトリムシ」機構に代わるものであり、「機械的ウォーキング機構」と命名できる。このモータは、電気機械材料によってモノリシック多層ユニットとして構成され、少なくとも２対の独立した駆動要素があれば、二次元移動が可能である。各対の動作は、グリップ、移動、解放およびリターンの４つのシーケンスによって特徴付けられる。

米国特許第６，１８４，６０９号においては、正弦電圧信号を用いて複数の駆動要素を起動させ、その結果、これらの駆動要素の接触部が楕円軌道を描くように運動する。駆動要素間のグリップ移送は、駆動方向において実質的にゼロ速度で行われる。すなわち、各ステップにおいて、移動対象物全体を加速させ減速させる。その上、駆動要素の接触部が磨耗し得る。

一般的な問題は、主変位方向の速度変化に関連するノイズおよび摩耗を低減させる波形を発見することであった。また、移動中の対象物の垂直方向の振動も、音生成に大きく関与する。これらの特性の分析および向上について、米国特許第６，３３７，５３２号に開示がある。

ステータ中および／または移動中の対象物中の共鳴現象が異なるために、準静的動作が、特定の周波数よりも低い周波数に限定される。従来技術による準静的モータに関する一般的な設計規準では、周波数を少なくともｆ_ｒよりも低い大きさに保持する。ここで、ｆ_ｒは、システム中の最低共振周波数である。この周波数が増加すると、共振周波数まで達していなくとも、位置精度問題が発生することがさらに多くなる。その結果、移動中の対象物の絶対速度が大幅に限定される。

電気機械モータが特定の任意の位置で停止すると、そのモータの要素は、一定になっている特定の付与電圧に晒されることが多い。これらの一定条件を保持すると、クリーピング現象が発生し得、その結果、移動中の対象物の実際位置が若干変化し得る。

従来技術による電気機械モータに関する一般的問題としては、例えば、精度問題、ノイズ問題、摩耗問題、速度問題、また或る程度までの効率問題がある。

本発明の目的は、ノイズおよび摩耗を低減するための改良された方法、制御デバイスおよびモータを提供することである。本発明の他の目的は、動的位置決め精度および静的位置決め精度の高い改良された方法、制御デバイスおよびモータを提供することである。本発明のさらに別の目的は、準静的な様式でかつより高い周波数で動作することが可能なモータを提供することである。本発明のさらなる目的は、パワー効率を改善することおよび製造コストを低減することである。

上記目的は、添付の特許請求の範囲に記載の方法、デバイスおよびモータによって達成される。一般的に言えば、これらのモータは、駆動要素の接触部が円滑な軌道に沿って移動するように、駆動される。軌道に沿った速度は、要素が移動中の対象物と機械的接触を持っているときの平均速度を、要素が機械的接触フリーとなっているときの平均速度よりも低くするように、変更される。好適には、１つの要素対が移動中の対象物をグリップし、別の対が移動中の対象物を解放する際において、主変位方向の速度成分は無視できない大きさとなる。このような動作を達成する電圧信号は好適には、時間において非線形の引数を有する正弦関数として選択される。要素が移動中の対象物との機械的接触を持っている間、主変位方向速度が実質的に一定になるようにするとさらに好適である。

本発明によるモータを停止する際、移動中の対象物の主変位方向における位置を変えることなく、作動している要素対を１対ずつ同時に電圧フリー状態にすることができる。

要素の接触部および移動中の対象物は、以下のような精度でラッピングされる。すなわち、移動中の対象物とステータとの間に付加される垂直力の大きさが、要素の弾性変形を引き起こすのに十分な大きさであり、これらの弾性変形は、ラッピングの精度と同じかまたはそれよりも高い大きさである。その結果、モータの共鳴周波数に極めて近い周波数でモータを駆動する一方、準静的動作を保持することが可能となる。

好適には、駆動要素の接触部の主変位方向の幅は、駆動要素そのものよりも狭い。あるいは、これらの駆動要素は、電圧が対向する様式で付加される直列構成バイモルフによって形成され、これによりＳ字型ストロークを常時提供する。これらの接触部には、歯構造が有利に設けられる。

本発明によれば、駆動要素の接触部が滑らかな軌道に沿って移動する手法によって、電気機械モータは駆動される。

アクチュエータ材料は電気機械材料としての特徴を有し、本発明では、電気電圧または電流が付与されると形状を変化させる総ての材料を意味する。電気機械材料の代表例としては、圧電材料、電わい材料および反強誘電性材料があり、これらの材料は、単結晶材料または多結晶材料あるいは非晶質材料であってもよい。

電気機械モータおよび電気機械アクチュエータ（特に圧電モータおよび圧電アクチュエータ）は、その駆動機構によって分類が可能である。本発明では、非動的駆動機構（ｎｏｎ−ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ）または疑似静的駆動機構（ｐｓｅｕｄｏ−ｓｔａｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ）を有する電気機械デバイスについて検討する。非動的機構および疑似静的機構に共通する特徴としては、準静的ウォーキング（ｗａｌｋｉｎｇ）の制御が可能である点がある。以下、「ウォーキング機構」について言及する。このように、ウォーキング機構は、少なくとも２つの駆動要素群によって特徴付けられる。これらの駆動要素群は、その形状を変えることにより、対象物を順次移動させる。ウォーキング機構はまた、当該要素と移動中の対象物との接触の利用と、移動中の対象物と接触している当該群が準静的に動作する点とによっても特徴付けられる。

本発明において、電気機械モータまたはアクチュエータは、少なくとも２つのアクチュエータ要素群を含む。各群は、少なくとも１つの要素を含む。これらの要素は好適には、その接触点を２つの独立方向に位置させることが可能なバイアモルファス要素である。好適には、これらの要素はモノリシックボディ（例えば、米国特許第６，１８４，６０９号のようなもの）の部品であるが、他の解決法も可能である。先ず、基本的構造について説明し、その後、このようなユニットの製造について簡単に説明し、最後に、その一般的動作について詳細に説明する。

図１ａ〜図１ｃに示す本発明によるモータの一実施形態において、圧電モータは、基本的な７つのコンポーネントを含む。すなわち、この圧電モータは、複数の圧電バイモルフ駆動要素１４からなるモノリシック駆動ユニット１０と、駆動要素１４の上面上の接触部２８と、モノリシック駆動ユニット１０が取り付けられたハウジング２と、電気キャリア３と、コネクタ５と、移動対象物２２と、スプリングユニット４とを含む。

図１ｃに、多層のモノリシック駆動ユニット１０の詳細を示す。このユニット１０は、パッシブバッキング１２および複数の駆動要素（この場合、４つの駆動要素１４ａ〜１４ｄ）を含む。これらの駆動要素は、切込部２０によって分割される。各駆動要素１４ａ〜１４ｄは、２つの別個に制御可能な位相セグメント１１ａ〜１１ｈに分割される。複数の位相電極層１９、そして後側には複数の接地電極層（図示せず）が、駆動要素１４ａ〜１４ｄ内に順次に設けられ、電極１８は、駆動要素１４中の活性エリア中の位相電極層１９と接触する。各位相電極１８は、それぞれの位相セグメント（１１ａ〜１１ｈ）に対応して設けられている。同様の接地電極１３が、後側の接地電極層（図示せず）を接続するために途中に設けられる。この電極層１３を用いて、ユニット１０の「前側」から後側に配置された接地電極とも接触可能とする。接地電極層１３は中央切込部において垂直に配置されているため、マスク数が限定可能となるため、後述のように製造が容易になる。適切な電圧をコネクタ５中の選択された電極に付与することにより、駆動要素内に電界が付与され、その結果、位相電極層１９と接地電極層との間の材料が膨張または収縮する。その結果、駆動要素１４ａ〜１４ｄにおいて、曲がりおよび／または膨張／収縮が発生する。以下、この駆動要素の動作がユニット１０と接触する対象物の動作にどのように変換されるのかという点について、詳細に説明する。

このユニットは、従来の技術（例えば、圧電セラミックスラリーのウェットビルディングを電極ペーストのスクリーン印刷と組み合わせたもの）によって製造可能であるが、他の製造技術を用いてもよい。製造方法について以下に簡単に説明する。ガラス板上に、圧電セラミック粉、結合剤、分散剤および溶剤からなるスラリーの層を例えばドクターブレードによって成型する。このスラリーを、強制対流によって乾燥させる。この構造は、パッシブバッキング１２および駆動要素１４に分割されるべきであるため、これらの部分については、成型方法が若干異なる。これらの第１の層はパッシブバッキング１２となり、通常の場合この領域には電極は不要であるため、この先行して成形および乾燥された層上に、別のスラリー層が成形される。このスラリーを乾燥させ、充分な厚さまで（一般的には約１〜３ｍｍのパッシブバッキングが成形されるまで）、このプロセスを繰り返す。以下の層の間に、例えばＰｔペーストまたはＡｇＰｄペーストの電極パターンを２つの異なるマスクを用いてスクリーン印刷する。１つのマスクを位相電極層１９に用い、別のマスクを接地電極層に用い、これらのマスクを交互に用いる。この成型は一般的には数デシメートル平方の表面にわたって行われ、これらのマスクは、センタリングピンによって整列可能である。成型終了後、素地全体を例えばダイシング鋸を用いて複数のユニット１０に分割し、それと同時に、切込部２０によって駆動要素１４を駆動要素１４の所望の長さと同じ深さで分割する。このユニット１０の熱処理を行う。この熱処理は、先ず約６００〜７００℃で行って有機材料を除去し、その後約１０００〜１３００℃で行って材料を焼結してモノリシックユニットを得る。焼結後、例えば銀電極１３および１８を両側に印刷する。これらの８つの電極１８は、駆動要素１４中の活性エリア中の位相電極層１９と接触する。電極１３は、接地電極と接触する。接地側は図示していないが、全層が接続されている点以外は、位相電極と同様である。これらの駆動要素はバイモルフとして動作するため、各駆動要素１４中には、破線で示すように２つの異なる活性エリアが存在する。銀ペーストを熱処理して、ユニット１０の両側に固体Ａｇ電極を形成する。

各駆動要素中の電極は通常、少なくとも２つの側部において駆動要素の外部に延びる。そのため、駆動ユニットを放電から守るために、適切な樹脂または何らかの他の種類の絶縁保護コーティング材料が用いられる。

圧電セラミックの場合、硬質材料と接触すると概して磨耗し易い。そのため、圧電セラミック材料を摩耗から保護するために、耐摩耗材料（例えばアルミナ）からなる接触部２８を駆動要素１４上に組み立てる。通常は駆動表面２８は接着することが多いが、他の種類の組立技術（例えば、半田付け）を用いることも可能である。

電気キャリア３は、可撓性材料または硬質材料で構成可能であり、何らかの導電性樹脂によってモノリシック駆動ユニット１０に半田付けまたは接着される。

エレクトロニクスへの電気的接続のため、電気コネクタ５を電気キャリア３に半田付けまたは接着させる。特定のモータ設計の場合、電気コネクタ５を駆動ユニット上に直接取り付け、これによりモータ中のコンポーネントの数を低減することができる。

ハウジング２は一般的には金属（例えば、スチールまたはアルミニウム）製であり、標準的な製造技術（例えば、ミリング）によって作製可能である。ハウジング２は空隙部２７を有する。この空隙部２７において、駆動ユニット１０は、その電気キャリア３およびコネクタ５と共に適切な樹脂によって取り付けられることが多い。ハウジング２の外側のネジ切り穴１６を用いて、モータを他の機械的構成ブロックに接続する。駆動ユニット１０を保護するため、空隙部を何らかの適切な可撓性材料（例えば、シリコンゴム）で充填する。

スプリングユニット４は、ボールベアリングホルダ６にネジ止めされたバネ８と、複数のボールベアリング７と、複数のスプリント９とからなる。これらのボールベアリング７は、ボールベアリング７中央を通じてスプリント９を介してバネ８によって移動中の対象物２２に対して押圧され、これにより、移動中の対象物２２と駆動ユニット１０との間に垂直負荷（ｎｏｒｍａｌ ｌｏａｄ）を付与する。バネ８の製造は、数種の方法および数種の技術によって可能である。組み立てを容易にしかつコンポーネント数を最小にするため、大型金属シートからのエッチングによりバネ８を一体型に構成すると好ましい。

このようなユニットによって対象物を移動させる機構は非動的なタイプである。説明のため、図１ｂを参照する。図１ｂ中のモノリシックユニット１０は、独立して動作する２組の駆動要素からなるものとして考えることができる。駆動要素１４ａおよび１４ｃを第１の駆動要素群として選択する。そのため、これらの駆動要素１４ａおよび１４ｃは同期して機能する。これらの駆動要素１４ａおよび１４ｃは、移動中の対象物（この場合対象物２２）と接触する。同様に、駆動要素１４ｂおよび１４ｄは第２の群に属する。そのため、これらの駆動要素１４ｂおよび１４ｄも同期して機能する。図中、これらの駆動要素１４ｂおよび１４ｄは対象物２２と接触していない。これらの駆動要素１４はバイモルフであり、このバイモルフの両側に独立的に制御可能な電圧が付与される。そのため、負荷が無い場合、駆動要素１４の上部、接触部２８は、あるエリア内においては任意に移動することができる。理想的バイモルフ且つ小ストロークであれば、このエリアは菱形を構成する。２つの駆動要素群の特定の位相シフトした動作のため、矢印２６による移動中の対象物２２の動作が達成可能である。これらの駆動要素に反復的電圧信号が付与されると、許容された動作エリア内の特定の軌道に沿って接触部２８が移動する。

本開示の残りの部分において、「対象物」という表現は、複数の駆動要素に対して保持されて、これらの駆動要素に対して移動させられる任意の物体を指す。線形の動作が要求される用途の場合、「対象物」は好適には、巨視的スケールで見れば平坦である。しかし、回転用途の場合、「対象物」を曲線状にしてもよく、あるいはその断面を円形状にしてもよい。

従来技術では、ステータおよび対象物の共振周波数が約４０％よりも低い周波数において、真に準静的な動作が現れると考えられている。以下において、このような或る程度までの限定は、異なる駆動要素の高さが異なることによって発生することを示す。説明を簡単にするため、駆動要素の高さが異なるのとは対照的に、移動中の対象物は理想的に平坦であると考える。実際では、これは通常の場合であることが多い。

準静的ステッピングの制御を合理的に高い周波数で行うためには、移動中の対象物は、駆動要素と常時接触していなければならない。リフト方向（接触表面および主変位方向に対して直角方向）での接触を解放しないために、コンポーネント（例えば、移動中の対象物）の運動エネルギーは、ステータ要素（特に駆動要素）の位置エネルギーよりも低くするべきである。これは、以下の式によって表すことができる。

ここで、Ｗ_ｋは運動エネルギーであり、Ｗ_ｐは位置エネルギーである。一組中の全駆動要素の全バネ定数がｋであり、移動中の対象物上のリフト方向に垂直力Ｎが付与されると、位置エネルギーは以下のように書くことができる。

ここで、Δｚ＝Ｎ／ｋは、駆動要素群のリフト方向における弾性圧縮である。計算を簡単にするため、このモデルでは、ステータユニットの残り部分は無視している。しかし、主要な原理はほとんどの場合において有効である。

この運動エネルギーは、リフト方向の相対的速度差Δｖに依存し、駆動要素群間の移送時のエネルギー損失を無視すると、運動エネルギーは以下のように書くことができる。

ここで、ｍは、リフト方向に移動する全コンポーネントの等価質量である。すると、ステッピング制御の条件は以下のように書くことができる。

ここで、便宜上、駆動要素群に接続された質量ｍの共振周波数を導入する。

すると、この条件は以下のように書き直される。

速度差が大きくなる原因は２つ（すなわち、グリップ時衝撃および軌道ベースの動作）ある。これらの原因は同様に扱うことができる。最も重大な状況の代表例としては、１つの駆動要素群から別の駆動要素群へ切り換えが行われる状況がある。１つの駆動要素群から別の駆動要素群へ切り換えが行われる間、１つの要素が速度ｖ_ｚで上方移動し、別の組が別の速度（一般的には−ｖ_ｚ）（これは、駆動要素接触部の合理的に対称な移動軌道のためである）で移動する。この場合、速度差Δｖは２ｖ_ｚとなる。Δｔを切換時間とし、Δｈを駆動要素群間の高さ誤差とすると、リフト速度は以下のように表すことができる。

ΔｚおよびΔｈを図２に示す。図２において、垂直力Ｎによって対象物２２がステータ１０に対して保持されている。この図において、駆動要素１４ａおよび１４ｂには等しい電圧が付加され、理想的な場合、駆動要素１４ａおよび１４ｂの長さは同じにすべきである。しかし、実際は、高さ差Δｈが存在し、その結果、駆動要素１４ｂは機械的接触からフリーとなる。垂直力Ｎにより、駆動要素１４ｂには弾性圧縮Δｚが生じる。この場合、動作制御のための条件は、Δｚ＝Ｎ／Ｋを用いて以下のように書くことができる。

切換時間Δｔは、パラメータｂを総ステッピング時間Ｔで割った分数（Δｔ＝ｂ／Ｔ）である。ステッピング周波数ｆは、パラメータｂを用いて切換時間Δｔで表すことができる。

上記条件は、以下のように書くことができる。

従来の圧電モータでは、高さ誤差の問題は非常によく知られている。通常は、弾性変形に起因する圧縮Δｚは、Δｈに関連して小さい。この場合、従来の圧電モータは、以下の式によって得られるサイズとなる。

この代わりに小型モータの駆動要素群を非常に注意深くラッピングするかまたは著しく高い垂直力が付与されると、高さエラーは弾性変形よりも小さくなり、上記条件は以下のように近似可能となる。

係数ｂπは、一般的には単位１の分数（ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｉｔｙ）となり、上記条件はｆ＜０．４ｆ_ｒに近くなる。従って、弾性圧迫を接触部間の高さ差以上になるように調節すると、動作間隔が実質的に増大する。

この例において、１つの振動モードのみについて議論し、一般的な複数のモードについて考えられるべきである。ｙ軸周囲の傾斜（チルティング）振動が特に重要である。明確にするため、図２において局所座標系２９を用いている。次に、計算に慣性モーメントを盛り込み、移動中の対象物のサイズを駆動要素間の距離に関連付けて式に入れる。アクチュエータ要素間の長距離を、短尺の移動中対象物と組み合わせると、傾斜振動周波数が増加する。一般的には、できるだけ大きな動作周波数帯を得るためには、盛り込まれる高さエラー、弾性変形、モータ設計および他のパラメータを最適化する必要がある。

極めて高い準静的動作周波数を得るためには、移動中のコンポーネントの質量ｍを低減させ、それと同時にバネ定数を増加させて、弾性変形を一定にする必要がある。そのため、リフト方向の垂直力を増加させて、モータの力容量を高くする必要がある。

バネ定数を高くするには、駆動要素のエリアを大きくし、長さを短くすることによって達成されることが多い。例えば、電界強度を２倍にすると、駆動要素の長さを短くして、その長さを半分にすることができる。このような寸法決めは、被駆動質量が大きい場合にも有利である。対応する被駆動質量ｍ_ｄは一般的には異なり、リフト方向において考えられる質量よりも大きい。多くの用途において、被移動対象物の僅かな部分は、駆動要素と直接接触する。しかし、所与の用途における被駆動ユニットの全質量は、主変位方向に移動させる必要があり得る。しかし、リフト方向において、この僅かな部分のみを駆動要素によって移動させる必要があり得る。駆動方向のバネ定数ｋ_ｘも、リフト方向のバネ定数と異なる。以下にさらに説明する波形を、主変位方向における速度差を最小化するように選択しても、ステップ周波数に関連する微小差が発生し得る。このような主変位方向における振動があると、ｍ_ｄおよびｋ_ｘに関連する共鳴現象が発生し得る。

一般的には、この種の共鳴を回避することは容易ではないため、ステップ周波数は以下の値よりも低くなるように選択される。

そのため、用途によってはステップ周波数が極めて低くなることがあり、これはもちろん望ましいことではない。

このような場合に対する１つの解法として、主付勢質量（ｍａｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｍａｓｓ）の共鳴動作およびモータの共鳴動作を分断する方法がある。これは、駆動要素と接触する部位と主付勢負荷との間の非リジッド接続（非剛性接続）を用いることにより、実施できる。これらの場合、バネおよび好適には減衰コンポーネント（例えばシリコンゴム）を用いると好適である。

本発明によるモータは、ウォーキング機構に基づいている。その動作の基本的特徴を図３ａ〜図３ｄに示す。これらの図において、この機構を視覚化するため、駆動要素の全ての動作を誇張してあり、また、これらの駆動要素の実際の形状およびサイズも、視覚化のためいかなる好適な実施形態にも従っていない。図３ａにおいて、全駆動要素１４が移動中の対象物２２と接触している状況を示す。第１の要素群１４ａおよび１４ｃが左方向に曲げられ、第２の要素群１４ｂおよび１４ｄが右方向に曲げられる。第１の要素群は矢印３０の方向（すなわち、右上方向）に移動する。一方、第２の要素群は矢印３２の方向（すなわち、左下方向）に移動する。すなわち、第２の駆動要素群は、移動中の対象物２２との自身の接触を解放（ｌｏｏｓｅ）し、移動中の対象物２２は、第１の駆動要素群の接触部の動作に従って移動する。

一定時間の後、図３ｂに示す状況となる。ここで、要素ｌ４はその動作を変える。第１の要素群１４ａおよび１４ｃはここで、矢印３４の方向（すなわち右下方向）に移動する。一方、第２の要素群１４ｂおよび１４ｄは、矢印３６の方向（すなわち左上方向）に移動する。すなわち、第２の駆動要素群は最終的には、移動中の対象物２２と再度接触する。

この状況（すなわち、全要素が移動中の対象物２２と接触しているが、第２の要素群の位置がわずかにずれている状況）を図３ｃに示す。この状況から、第２の要素群１４ｂおよびＩ４ｄは、矢印３０の方向（すなわち右上方向）に移動する。一方、第１の要素群１４ａおよび１４ｃは、矢印３２の方向（すなわち左下方向）に移動する。すなわち、第１の駆動要素群は、ここで自身と移動中の対象物２２との接触を解放（ｌｏｏｓｅ）し、一方、対象物２２は、第２の駆動要素群の接触部の動作に従って移動する。

一定時間の後、図３ｄに示す状況となる。ここで、要素ｌ４はその動作を変える。第２の要素群１４ｂおよび１４ｄは、矢印３４の方向（すなわち右下方向）に移動する。一方、第１の要素群１４ａおよび１４ｃは、矢印３６の方向（すなわち左上方向）に移動する。すなわち、第２の駆動要素群は最終的には、対象物２２と再度接触し、このサイクルが繰り返される。その結果、移動中の対象物２２は図の右側に移動する。

４種類の特徴的な動作シーケンスに区分される。図３ａ中の状況において、第１の駆動要素群は、グリップシーケンスにある。移動シーケンスが発生するのは、図３ａ〜図３ｂと図３ｃとの間である。図３ｃ中の状況において、第１の駆動要素群は、その解放シーケンスにある。その後、リターンシーケンスが図３ｃ〜図３ｄと図３ａとの間で発生する。グリップシーケンスおよび解放シーケンスは理論的には無限に短くすることができるが、実際には、グリップおよび解放は特定の時間にわたって行われる。

多くの従来技術によるシステムの場合、駆動要素の制御の際、位相がシフトした真正弦波形を用いている。駆動要素のたわみｘおよび伸張／収縮ｚは、以下のように書くことができる。

ここで、ｋ_１およびｋ_２は、材料、形状などに依存する定数である。駆動要素の制御に用いられる２つの位相シフト正弦波形は、以下のように書くことができる。

ここで、ｕ_ｍａｘは最大駆動電圧であり、φ_ｓは付与電圧間の位相シフトであり、ωは角周波数であり、ｔは時間である。駆動電圧中にオフセットがある理由は、駆動要素に負電圧がかかるのを回避するためである。負電圧が分極圧電セラミック材料に付加されると、材料に脱分極が生じる恐れが出てくる。しかし、適切な材料条件および駆動条件を用いれば、圧電セラミック材料を負電圧で動作させることが可能である場合もあることに注意されたい。上記方程式を組み合わせると、要素の先端（すなわち、駆動要素の接触部）が楕円軌道に沿って移動することを示す式が得られる。

ここで、定数ｘ_０およびｚ_０は、形状的な要因、材料的な要因などに依存する。定数ａおよびｂは、下記のように書くことができる。

ここで、位相シフトφ_ｓにより、軌道形状（この場合、それぞれ長軸および短軸のサイズ）が影響を受けているのが分かる。極端な場合（すなわち、φ_ｓが０またはπである場合）、要素は、主変位方向のみに前後移動するか、または、垂直方向にそれぞれ前後移動する。最適位相シフトは、駆動条件、要素の形状および材料などに依存し、各個々の用途に適応させなければならない。図４中、楕円軌道４２および４４を示す。

この種の波形の不利点としては、要素の主変位方向速度が、接触部が軌道中のどこの位置にあるかに依存する点である。さらに、２組の要素群の間のグリップ移送が生じるのは、主変位方向速度がゼロまたはほとんどゼロになる位置である。駆動要素の形状が何らかの理由で不完全である場合、主変位方向速度も負になる（すなわち、駆動要素が後ろ向きに動く）。そのため、グリップ移送を円滑に行うのが困難になる。さらに、フルステップの間に主変位方向の速度が連続するのは望ましくない場合が多い。

米国特許第６，３３７，５３２号において、グリップシーケンスと解放シーケンスとの間に有意な主要方向速度成分を設けることにより、接線方向（すなわち、移動中の対象物２２の主変位方向）の速度変化を低減している。好適には、グリップシーケンス、移動シーケンスおよび解放シーケンス全体の間、接線速度成分を一定に保持した。駆動要素の接触部を、軌道に沿って駆動し、その際、グリップシーケンスと解放シーケンスとの間のオーバーラップを得、かつ、駆動サイクル全体の間に移動中の対象物の一定速度を維持するように、軌道速度を調節した。主変位方向に対して垂直な振動についても対処し、また、菱形軌道よりも台形軌道の方が好ましい。

確かに、角部の鋭い軌道の方が、外部衝撃力と同様に、駆動要素の動作を急激に変化させる傾向が強い。そのため、これは、軌道の駆動部分には特に不利となるが、できれば、駆動サイクルの全部分において回避することが好ましい。

本発明によれば、円滑な形状の軌道が選択される。軌道に沿った空間座標の傾きは連続している（すなわち、エッジまたは角部は無い）。言い換えれば、軌道は、全ての点において連続的導関数（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）を有する。楕円軌道とは、数学的に単純でかつ角部の無い軌道であり、本発明の実施形態において有利に用いられる。

各駆動要素の接触部の自由移動が可能なｘ−ｚ平面中のエリアは、菱形エリア４０に限定される。そのため、全軌道はこの菱形エリア内に限定される。線４６は、２組の駆動要素間の交換ｚ位置（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｚ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）の不確定範囲を示す。ｚ軸方向に狭くなる楕円軌道が選択された場合（図４の軌道４２を参照）、利用可能なステップの長さは長くなるが、グリップ時および解放時の主変位方向の有意な負速度のリスクも（接触部間の配置ずれのため）高くなる。ｚ軸方向に幅広の軌道（軌道４４を参照）の場合、グリップ移送時の負接線速度のリスクは低減するが、その代わり、利用可能なステップ長さは短くなる。全ての駆動条件においては、楕円軌道以外の軌道も選択し得る場合がある点に留意されたい。

従来では供給電圧用に真正弦関数を用いていたのとは対照的に、本発明では、変位方向に沿った速度の制御を向上させる。本発明によれば、リターンシーケンス時の速度成分の平均的大きさと比較して、対象物のグリップ時、駆動時および解放時の主変位方向の速度成分の大きさが低減する。換言すれば、駆動要素の接触部は、移動中の対象物と接触するときよりも相対的に低速で移動し、無接触の場合よりも相対的に高速で移動する。同様の駆動要素を２組用いた場合（すなわち、各駆動要素群を移動中の対象物と同時間接触させた場合）において楕円軌道を用いた場合、これらの駆動要素は、下半分部分よりも上半分部分により長時間留まる。その結果、グリップおよび解放が発生する部分は、水平対称線よりもずっと上方に位置し得る。このエリアにおいて、主変位方向において非ゼロ速度成分が存在する。その上、形状的な欠陥がある場合でも、楕円の上半分部分にグリップ移送点が容易に保持可能となる。

上記概念による第１の実施形態において、正弦信号が用いられ、複数の異なる効率的な角速度で複数の異なる角度領域において用いられる。定数Ｃ_α、０＜Ｃ_α＜１を考える。この定数は、駆動要素の接触部分の角速度を制御するためのものであり、αは、Ｃ_αが用いられた場合の０＜α＜πの間隔である。駆動サイクルのその他の部分において、その代わりに速度を対応分だけ増加させる。このような波形により、駆動部よりも速度の速い駆動サイクルのリターン部が得られる。駆動部の速度は駆動サイクルのその他部分よりも小さいため、移動中の対象物と接触することとなる要素は、主変位方向における速度を得た後、接触することができる。図５において、真正弦波形５０および上記原理５２による波形を示す図を示す。波形５２は、角度範囲α１〜α２における緩慢な変化を示しており、この範囲を超えるとその変化はより急激になっている。これらの接続点において、急激な速度変化が発生する。好適には、この変化を駆動要素が未だ移動している間に発生させ、これにより移動中の対象物中に直接振動が発生するのを回避する。しかし、若干複雑度の高い設定では、２つの異なる角度範囲の間で軌道に沿った速度を円滑に変化させる場合、移行範囲が導入可能である。また、１つの駆動要素群から他の駆動要素群への移行を行う場合、これら２つの駆動要素群の間での速度差が無いかまたはほとんど無い領域において、移行を行うことも好ましい。その結果、スライドおよび移送間のグリップの制御不能のリスクが低減する。

電圧信号は、例えば以下のように数学的に記述することができる。

ここで、

φ_ｓは、電圧信号間の相対的シフトである。

α_１およびα_２はそれぞれ、軌道の「低速部分」の開始位相および端位相であり、それぞれｔ_１およびｔ_２に対応する。そのため、α_１およびα_２はそれぞれ、０〜πの所定角度である。Ｃ_αは、この「低速部分」の間の所定の相対的角速度である。Ｃ_αは任意に選択することはできず、（α_２-α_１）／２πから（α_２-α_１）／πの範囲に収まらなくてはならない。

駆動部を例えばπ／４＜α＜３π／４の範囲に収まるように選択することにより、駆動部の範囲内の主変位方向における速度変化が低減する。しかし、それと同時に、移動対象物の平均変位速度が半減する。そのため、対象物の円滑な動作とその対象物の変位速度との間のトレードオフがある。

円滑な移送および接線速度変化の低減を実現するための別の方法では、時間依存関数α（ｔ）を定義する。その場合、波形は以下のように表現することができる。

例えば、角速度（ω（ｔ）＝α’（ｔ））を選択する際、最大速度が楕円軌道の最低点にありかつ最低速度が楕円軌道の最高点にある余弦関数となるように選択すると、この関数α（ｔ）は、以下の形態の正弦関数となる。

ここで、Ａ（０＜Ａ＜１）は、角速度調整の振幅に対応する定数である。Ａを適切な値に選択することにより、駆動段階の間の主変位方向速度をかなり一定に保つことが可能となる。また、楕円軌道の上半分部分において駆動要素群間の移送を生じさせることで、主変位方向において駆動要素の速度が保証される。第３次導関数に対して連続関数を用いることにより、駆動要素の加速が円滑になり、その結果、機械的振動およびアコースティックエミッションが低減する。

その上、駆動部における主変位方向速度は数学的に一定ではない。区分近似に基づいた別のアプローチを用いることができる。先ず、上述した一般的概念による形状の特定の軌道を選択する。理想的には、移動中の対象物はリフト方向においていかなる移動もすべきではなく、これが達成不可能な場合、リフト方向における正弦移動が好ましい。その後、駆動段階の間に主変位方向速度を以下のように一定に規定することが可能となる。サイクルの駆動部分に対応する波形を、有限数ｎの点からなるものとして考えることができる。第１の実施形態において、これらの間の時間間隔は常に同じである。波形中の各点は、軌道方程式Ｔ（ｘ、ｚ）（すなわち、ｎ個の点（ｘ_ｎ、ｚ_ｎ））中の位置に対応する。変位速度が一定になる（すなわち、Ｘ_ｉ＋１−Ｘ_ｉ＝Δｔ−ｖ）において、駆動部内の任意のｉ∈［１，ｎ−１］について、駆動部分が定義される。軌道中の各点ｘ_ｉは、以下のように計算することができる。

ここで、ｋは、駆動間隔長さおよびその中の点の数ｎによって定義される定数である。定数ｋは、以下のように計算することができる。

各点ｘ_ｉを計算すると、選択された軌道方程式により、対応する点ｙ_ｉが得られる。このような軌道方程式の一例として、楕円形方程式がある。それぞれの点に対応する電圧が規則的時間、例えばΔｔごとに供給されるように、波形が生成される。

図６ａにおいて、これらの原理を模式的に示す。ここでは、楕円軌道を用いており、駆動角度範囲５６内の複数の点５４が主変位方向Ｘに沿って均等に分散ΔＸするようになっている。図６ｂに示すように、これらの点を均等な時間間隔Δｔで通過するように、電圧信号または波形が調節される。すると、ｘ方向の速度（すなわち、主変位方向）は、図６ｃに示すように変化する。駆動範囲５６内において、ｘ方向の速度成分はほぼ一定である。

別の方法として、異なる点間の時間間隔を変えて、次の軌道点への関連付けられた時間間隔を有する軌道点群を得る方法がある。このような方法で、主変位方向速度の変化が最も激しい軌道部分の点を、主変位方向速度の変化がほとんど無い軌道部分の点よりも多くすることができる。

これらの問題は全て、軌道の駆動部分に関連する。駆動サイクルの残り部分の間の角速度の調整は、できるだけ円滑に行うべきであり、好適には駆動部分よりも短い時間を有する。グリップシーケンスと解放シーケンスとの間のオーバーラップは、駆動サイクルの駆動部内のミクロステップ点の数によって得られる。例えば、１フルサイクルにおける点の数が２５６であり、２つの駆動要素群に対する位相シフトが１２８点からなり、１組がミクロステップ０における軌道の底部にあり、もう１組が軌道上部にある場合を考える。サイクルの規定された駆動部の外側のミクロステップ数が比較 的少数である場合、これら２つの組のグリップシーケンスと解放シーケンスとの間に有意なオーバーラップが生じる。

上記スキームによる制御目的に適した増幅器回路の一実施形態を図７に示す。線形増幅器６３は、モータ位相（コンデンサ６４として図示されている）を駆動する。この線形増幅器６３は一般的にはそれ自体が回路である。好適には、増幅器６４は、モータまたは他のコンポーネント中の共鳴を回避するため、ローパスフィルタをビルトインするか、または外部にローパスフィルタを持っている。この線形増幅器は、デジタル／アナログ変換器６２によって駆動される。このデジタル／アナログ変換器６２は、集積回路６１から電圧波のデジタル定義を得る。このＩＣは好適には、プログラム可能な論理回路（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））であり、モータを各用途に合わせて最適化することを容易にする。モータの電圧制御を選択するといくつかの利点（例えば、安定性、単純性）が得られる。１つの重要な利点として、モータ位相を所与の電圧で短絡回路中に接続できると考えられるため、回路を用いて様々な不要な動作モードを減衰させることができる点がある。増幅器のインピーダンスを適切に選択することにより、様々な望ましくない動作モードを減衰させることができる。ＦＰＧＡの並列アーキテクチャにより、（各サイクルごとまたはそれよりも頻繁に全位相を変更する必要がある）複雑な最適化シーケンスを実行するのが容易になる。今日利用可能な経済的回路は、モータ駆動を行う際、サイクル周波数を１００ｋＨｚでかつ全サイクル毎のサイクル分解能を２５６個よりも多いミクロステップ点で行うことができる。これは、約２５．６ＭＨｚのクロック周波数に対応する。電圧定義はもっと良くすることができ、モータの分解能を限定しない。クロック周波数が５００ＭＨｚ（これは、今日コストを少し上げれば利用可能な周波数である）である場合、ミクロステップ分解能は因数２０で向上する。

電気機械モータを特定の任意の位置で停止させると、当該要素は一般的に、特定の付与一定電圧に晒される。このような条件が保持されると、クリーピング現象が発生し得、その結果、当該要素の実際位置が変化し、かつ／または、その後の性能に劣化が発生する。モータをパーキングする際において最終状況を選択する場合、時間依存プロセスの効果を最小限にするように選択を行うべきである。米国特許第６，３３７，５３２号において、駆動要素が対称的な対立バランスを持つ位置までモータを移動させる方法が開示されている。

本発明によれば、別の方法が提案される。このアプローチは、電圧が完全にオフになる駆動要素位置を発見することを意図している。このような位置は、移動対象物の位置を変更することなく、到達されるべきである。

図８は、駆動要素の軌道を示し、これらの原理による一般的手順を視覚化したものである。例として用いられている軌道は楕円軌道である。しかし、本開示において提示された全軌道に同原理を適用することが可能である。モータは、特定の位置において停止する。現在、第１の駆動要素群は移動中の対象物と接触している。図中、この状態を点７０にて示す。第２の群は、軌道のリターン段階（点７２にて示す）にあり、現在は移動中の対象物と接触していない。そのため、この状況は動作が停止するときに生じる。駆動要素の電圧がゼロになると、駆動要素は図の底部（点７４）まで移動する。これは好適なパーキング状態であるが、対象物の位置が主変位方向に沿って変化することなく、このパーキング状態に到達しなければならない。好適な手順によれば、第２の駆動要素群（すなわち、対象物と接触していないもの）は、ゼロ電圧位置７４まで移動するか、またはゼロ電圧位置７４の上方にある。これは、通常の動作軌道に沿ってまたは対象物との接触を全く生じさせない他の任意の経路７８に沿って７６を続けることにより、行うことができる。両方の駆動要素群をグリップ動作／解放動作に入る場合、これらの群のうち、任意に選択された一方が先に動作する。

その後、第２の駆動要素群を７１の上方に直線状に（すなわち、図中のｚ軸に沿って）移動させ、移動中の対象物と接触させる。ここで、第１の群が自由移動可能となる。第１の群は、先ず、移動中の対象物の主変位方向の位置を変更しないよう、図中の垂直経路７３に沿って下方に直線状に移動する。第１の駆動要素の群が移動中の対象物との機械的接触を少しでも残すと、それは、任意の接触フリー経路７５から電圧フリー位置７４へと移動することができる。最後に、第２の駆動要素群が、電圧フリーとなるまで下方に（７７）直線状に移動する。
このようなパーキング動作の間、移動中の対象物は、実質的にアップダウンの方向ｚ（すなわち、主変位方向ｘに対して垂直方向）のみに移動される。これにより、移動中の対象物の位置は保持される。

これらの駆動要素群の移動経路の正確な形状は、例えば時間依存クリープなどの効果を回避するため、これらの２つの群についてできるだけ類似させるべきであり、また、移動中の対象物とのいかなる干渉も避けるための限定も設けられるべきである。移動中の対象物との接触のリスクが少しでもある場合、全ての動作を（図８に示すように）実質的に垂直に行わなければならない。換言すれば、パーキングの到達は、これらの駆動要素群を（その動作が（対象物と機械的に接触している際に）実質的に垂直（すなわち主変位方向に対して垂直）となるように拘束された様態で）同時に電圧フリー位置まで移動させることによって得られる。

これで、これら２つの群のズレ、劣化などが効果的に最小限に回避される。高精度な位置決めを行うためには、これらの要素群が停止または保持されるための電圧フリー位置に近づくための位置決めを制御することが不可欠である。電圧フリー位置における移動をさらに低減するため、これら２つの駆動要素群は、相反する動作であるが、可能な限り近似した経路で最終位置に近づく。

上記手順に対応するフロー図を図９に示す。この手順はステップ２００から始まる。ステップ２０２において、移動中の対象物をウォーキング機構によって移動させる。ステップ２０４において、動作が中断され、移動中の対象物を主変位方向における所定位置にて保持する。ステップ２０６〜２１０において、駆動要素群は、各電圧フリーパーキング位置まで同時移動する。これらのパーキング移動は、移動中の対象物との接触時、主変位方向に対して実質的に垂直な方向において行われる。この手順はステップ２１２において終了する。

ここで、第１の駆動要素群が移動中の対象物と機械的に接触していると仮定する。ステップ２０６において、第２の駆動要素群は、主変位方向に対して垂直な最終電圧フリーパーキング位置を通じた線上の保持位置まで移動される。ステップ２０８において、第１の駆動要素群を電圧フリーパーキング位置まで移動させる。ステップ２１０において、第２の駆動要素群を主変位方向に対して垂直な方向に移動させ、電圧フリーパーキング位置まで移動させる。

移動中の対象物の位置の高精度な調整（ファインチューニング）は、以下の２つの代替的方法により、１フルステップのストローク長さ以内において行うことができる。第１の方法において、１つの駆動要素群上の駆動電圧を中心（例えば、図８中の点７４）まで調節する。これにより、もう一方の駆動要素群は、そのフルストローク（すなわち、その菱形エリアの全幅）を（もう一方の駆動要素群の干渉無く）対象物の高精度位置決めに用いることができる。

あるいは、第２の方法によれば、全要素は、ファインチューン位置にある同一の駆動電圧群によって制御される。これにより、全駆動要素は同一の様態で移動する。この方法は、高負荷条件下において高剛性が必要な場合に有利である。これらの２つの方法は、パーキング手順が行われており、機械的システムにおける熱ドリフトまたは老化などの理由のために高精度位置決めが必要な場合に重宝である。ファインチューニングの必要性がストローク長さを超えた場合、パーキング手順を行い、要素に対してファインチューニングをやり直して、ストローク中心位置をファインチューニングすることができる。このようにして、ファインチューニングを無限の距離に対してかつ高分解能で行うことができる。

マイクロモータシステムの設計を極めて高い位置決め精度で行う場合、上記の制御手順は極めて重要である。しかし、このような制御手順によって駆動される実際のハードウェアの設計もまた大変重要である。

図１０ａ〜図１０ｂは、移動中の対象物上で作動する駆動要素を示す。同図中、アクチュエータの全ての動作は、対象の効果を視覚化するために大幅に誇張してある。図１０ａ中、アクチュエータは直線状態にある。接触部２８の中央点９１は、移動中の対象物２２の基準点９０と接触している。図１０ｂに示すように左側に曲がると、接触部２８の中央点は、特定のベクトル９２に従って移動する。しかし、この動作の間、駆動要素１４と移動中の対象物２２との間の接触点は側方にシフトし、ここで、駆動要素１４上の接触部２８の右角部９３は、移動中の対象物２２と接触する。移動中の対象物２２の基準点９０も移動するが、異なるベクトル９４に従って移動する。接触部２８の動作は、駆動要素１４の電圧を制御することにより、高精度に制御することができる。しかし、移動中の対象物２２の実際の動作は、同一の様式では制御不可能である。その上、接触点を変更した場合も、摩耗の増加に繋がる。

本発明による好適な実施形態によれば、ウォーキング機構に基づいたモータ中の駆動要素に、以下のような接触部が設けられる。これらの接触部は、主変位方向における伸張性を有する。この伸張性は、駆動要素の活性部分そのものの同一方向の寸法よりもずっと小さい。このような実施形態を２つ図１１ａ〜図１１ｂに示す。図１１ａにおいて、三角断面を持つ接触部２８が形成される。上側表面１５の傾斜は好適には、駆動要素１４の最大傾斜角度よりも傾斜が険しい。このようにして、移動中の対象物２２と駆動要素ｌ４との間の接触は、中心９１において発生する。しかし、特定の用途では、駆動要素と移動中の対象物との間の接触エリアを大きくする必要がある。このような用途の例としては、大きな力が必要な場合がある。そして、図ｌ１ｂの接触部２８を選択することができる。ここで、駆動要素１４上にリッジ（隆線）１７が形成され、これにより、主変位方向における範囲を低減し、なおかつ、より高い負荷を受容することができる。このリッジの幅は、位置精度と、駆動要素１４と移動中の対象物２２との間で移送可能な力との間のトレードオフとして調節することができる。

本発明による別の好適な実施形態において、ウォーキング機構に基づいたモータ中の駆動要素は、接触部の方向を持続するための形状変更を有する。図１２ａ〜図１２ｂにおいて、駆動要素が図示されている。この駆動要素の接触部は、駆動要素の形状がどのように変化しても、同一方向に方向付けられる。ここで、直列接続された（すなわち、曲げ方向に対して実質的に垂直な）２つのバイモルフ部９５および９６により、駆動要素を構築する。下方バイモルフ部９６および上方バイモルフ部９５には、励起電圧を反対方向に与えられる（すなわち、図１２ｂに示すように、下方バイモルフ９６が左側に曲げられた場合、上方バイモルフ９５は右側に曲げられる）。このようにして、各曲げ状況において、Ｓ字形状の駆動要素が形成される（図１２ａに示すような要素が完全に直線状な場合は除く）。このような方法で、接触部２８は移動中の対象物２２に対して常時実質的に並列に保持され、精度問題および摩耗問題が有意に低減する。従来、ダブルバイモルフアクチュエータ（例えば、米国特許第５，０８９，７４０号を参照）が用いられている。しかし、移動中の対象物２２に対して垂直方向に直接接触するダブルバイモルフアクチュエータは、従来から用いられていない。

駆動負荷が高い場合においてステップ長さを制御するのは、駆動要素と移動中の対象物との間に相対的動作が発生し得るため、困難である。この問題に対する１つの解法として、移動中の対象物および駆動要素の接触部の双方に歯を設ける方法がある。これにより、作動部に対し、主変位方向に対して傾斜した表面を有する構造を設ける。さらに、対象物にも、接触部の構造に対して形状的に相補的な対応する構造を設ける。この歯構造により、形状に依存する摩擦係数が大幅に上昇する。摩擦係数をできるだけ高くするため、歯９７の壁は理想的には直線状にする。このような構造の模式図を図１３ａに示す。実際のステップ長さの変動または傾斜角度の小さい場合を考慮するために、歯の上方部分に何らかのフランク９８を設ける必要がある。その一例を図１３ｂに示す。このフランクを下方に底部まで伸ばして、図１３ｃ中のような鋸歯表面のような外観にしてもよい。当業者であれば、他の種類の形状も可能であることを理解する。

リッジまたは歯の間隔は数ミクロンのオーダーで行う必要があるため、高さおよび横方向の組み立て精度に対する要求は高い。適切な高さ精度は、駆動要素の接触部をラッピングした後に組み立てを行うことにより、達成される。横方向の位置決め精度は、接触部を、駆動ユニット全体にわたって伸びるリッジまたは他の構造で移動中の対象物に対して押圧することにより達成され、この位置において、それを駆動要素に対して接着する。接着が落ち着いた後、（例えばダイシングにより）接触部を互いに解放することができる。

リッジまたは他の歯構造の製造は、従来技術（例えば、リソグラフィ）をエッチングまたは高精度機械加工と組み合わせることで行うことができる。コスト低減のため、コンパクトディスク（ＣＤ）製造の際に用いられる技術により、マスターを作製してもよい。マスター作製は、マイクロ電子製造において一般的な技術によって形成されたパターンを電気メッキすることにより、行われる。その後、このマスターを、適切な材料を用いることが可能な射出成型機において用いる。歯型形状の製造に用いることが可能な材料としては、例えば、ポリマー、強化ポリマー、金属またはセラミックがある。

歯構造の他の利点としては、絶対位置決めを達成可能な点がある。その精度は、リッジ間の間隔に依存する（すなわち、間隔を狭くすることで、位置決め精度を高くすることができる）。

駆動要素（例えば、図１１ａ〜図１１ｂに示すようなもの）を用いる場合、駆動方向の伸張性が低減することによって複数歯構造への適用が困難になるため、歯構造の使用はある程度限定される。しかし、図１１ａ〜図１１ｂの接触部の構造そのものは、接触部において直線状または傾斜状の表面が設けられているため、同様の効果をもたらす。そのため、これらの表面を、移動対象物の構造へのグリップの際に用いることができ、これにより、接触部の形状を、単歯構造を有するものとして考えることができる。しかし、歯表面が駆動要素の動作に従って移動する半径で曲線状にされた場合、図１１ａ〜図１１ｂに示す駆動要素での使用のための複歯構造を作製することができる点に留意されたい。

しかし、さらに上述したダブルバイモルフに基づいた駆動要素の設計を用いると、歯構造を接触部に容易に盛り込むことができる。実際、歯の使用と、Ｓ字状に曲げられたダブルバイモルフとを組み合わせると、移動中の対象物表面に対して接触部が並列に常時保持されるため、極めて有用である。歯のフランクによって提供される傾斜角度のマージンを低減することができ、位置決め精度をさらに上昇させることができる。

いくつかの場合（例えば、ファインチューニング）および歯構造を用いる場合、ステップサイズを大きくすると有利な場合があり得る。ファインチューニングの場合、ステップサイズを大きくすると、チューニング範囲が広がる。歯構造を用いる場合、ステップサイズを大きくすると、これらの構造を作製する際の分解能に対する要求が低減し、その結果、製造コストが低減し得る。ステップサイズを大きくしたアクチュエータは複数の方法で作製可能であるが、活性材料の体積をできるだけ低く抑えても（活性化の間電流消費を低く抑えることができるため）有利である。１つの解法として、モータを効率的に動作させるために必要な低活性（ｌｉｔｔｌｅ ａｃｔｉｖｅ）材料を用いる方法がある。その場合、図１４ａに示すように、駆動要素１４の活性材料８１上にレバー部８２を用いることにより、ステップ長さの増加を達成することができる。レバー部８２の材料は、活性材料８ｌと同じ材料でよく、電極は用いなくてもよく、または何らかの他の材料を用いてもよい。多くの場合において、アクチュエータの剛性を高くする材料が好適である。レバー設計を用いる場合にはアクチュエータ長さを大きくするため、剛性は通常低減する。しかし、設計を適切にすれば、この問題は解決することができる。

アルミナを用いると好ましい。なぜならば、アルミナを用いると、レバー部８２中に接触表面形状を直接一体化することが可能であるからである。

高さ制御精度を上昇させることが必要な場合、駆動要素１４上のレバー部８２を活性材料で作製し、電極を設けるとよい。このようにして、駆動要素１４の残り部分から独立した様式で、レバー部８２の高さを高精度に制御することができる。

ダブルバイモルフ駆動要素を用いる場合、同様の解法の一実施形態を図１４ｂに示す。ここで、駆動要素１４は、レバー部８２によって相互接続された下方バイモルフ部９６および上方９５バイモルフ部を有する。作動表面の並列性はまだ保持されているが、主変位方向のストロークが増加している。上記と同じ方法で、高さ制御精度を高くしなければならない場合、レバー部８２を活性部位とし、外部から制御可能としてもよい。

多くの用途において、移動対象物の質量を低減することが望まれる。この質量は、例えば駆動方向の振動と関連付けられる。そのため、移動中の対象物を薄くすることができる。しかし、移動中の対象物の弾性曲げが駆動要素のリフト容量と同じ大きさになった場合、深刻な問題が発生する。換言すれば、移動中の対象物の柔らかさが過度になり、その可撓性により、ウォーキング機構を可能にする。これに対する解法であり極めて低質量の移動中の対象物を可能にする解法を図１５に示す。ここで、移動中の対象物の両側の接触部と面平行に移動中の対象物２２を製造する。２つの実質的に同一のステータユニット１０ａおよび１０ｂを移動中の対象物２２の両側から配置し、移動中の対象物２２に対して押圧する。ステータユニット１０ａおよび１０ｂの動作を調和させると、ステータユニット１０ａおよび１０ｂは全く同じ手順を反対方向に行う。その結果、移動中の対象物２２は、２つのステータユニット１０ａおよび１０ｂの駆動要素間でクランプされ、移動中の対象物の主変位方向に垂直方向の曲げは実質的に発生しない。そのため、移動中の対象物２２を極めて肉薄に製造することができる。すなわち、その質量を、片面作動ステータに必要な質量よりもずっと少なくすることができる。

当業者であれば、本発明の様々な改変および変更が、添付の請求の範囲によって規定された本発明の範囲から逸脱することなく可能であることを理解する。

図１ａ〜図１ｃは、本発明によるモータの一実施形態を示す。 図２は、駆動要素の高さエラーおよび弾性変形の模式図である。 図３ａ〜図３ｄは、本発明による単純な動作の模式図である。 図４は、駆動要素の楕円軌道を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態において用いられる電圧信号の波形を示す図である。 図６は、複数点で分割される楕円軌道を示す図であり、この楕円軌道は、本発明の一実施形態において規則的タイミングで通過される。 図７は、本発明に適した電子駆動デバイスを示す。 図８は、本発明の一実施形態によるパーキング手順の軌道を示す図である。 図９は、本発明によるパーキング手順の一実施形態を示すフロー図である。 図１０ａ〜図１０ｂは、移動対象物に対する傾斜駆動要素の効果を示す。 図１１ａ〜図１１ｂは、本発明の複数の実施形態による駆動要素の形状の模式図である。 図１２ａ〜図１２ｂは、本発明によるダブルバイモルフ駆動要素の一実施形態の模式図である。 図１３ａ〜図１３ｃは、本発明による駆動要素および移動対象物の歯構造の模式図である。 図１４ａ〜図１４ｂは、ステップサイズを向上させる駆動要素の形状の模式図である。 図１５は、本発明の一実施形態のモータ設計を示し、この設計は、移動対象物が低質量の際に用いられる。

符号の説明

５ コネクタ
６ ボールベアリングホルダ
７ ボールベアリング
９ スプリント
１０ａ，１０ｂ ステータ
１４ａ〜１４ｄ 駆動要素
１９ 位相電極層
２０ 切込部
２２ 対象物
２７ 空隙部
２８ 接触部
８１ 活性材料
８２ レバー部
９５，９６ バイモルフ部

Claims (30)

1. 電気機械モータの駆動方法であって、
   前記電気機械モータは、複数の駆動要素によって主変位方向に移動させる対象物に作用するステータを有し、各駆動要素は、移動させる前記対象物と互いに影響し合う、独立したそれぞれの接触部を有し、
   第１の電圧信号群を第１の駆動要素群に提供する工程であって、前記第１の電圧信号群は少なくとも１つの電圧信号を含む工程と、
   第２の電圧信号群を第２の駆動要素群に提供する工程であって、前記第２の電圧信号群は少なくとも１つの電圧信号を含む工程と、
   前記第１の電圧信号群を制御して、前記第１の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第１の軌道に沿って移動させる工程と、
   前記第２の電圧信号群を制御して、前記第２の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第２の軌道に沿って移動させる工程と、
   前記第１および第２の軌道を構成して、ステップ運動の反復により、前記対象物を前記ステータに対して相対的に移動させて、前記ステータと前記対象物との機械的接触を確実にする工程と、
   前記ステータと前記対象物との間に垂直力を付加する工程と、
   を含み、
   前記垂直力の大きさは、前記ステータの弾性変形を引き起こすのに十分な大きさであり、前記垂直力の大きさは、前記対象物の主変位方向に対して垂直方向である、前記ステータを高さ方向に不安定化させるための大きさと少なくとも同じ大きさである
   ことを特徴とする電気機械モータの駆動方法。
2. 前記ステップ運動の反復の駆動周波数は、前記ステータおよび前記対象物の共振周波数ｆ_ｒと同じ大きさの駆動周波数であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械モータの駆動方法。
3. 前記ステップ運動の反復の駆動周波数は０．３ｆ_ｒよりも高いことを特徴とする請求項２に記載の電気機械モータの駆動方法。
4. 電気機械モータの駆動方法であって、
   前記電気機械モータは、複数の駆動要素によって主変位方向に移動させる対象物に作用するステータを有し、各駆動要素は、移動させる前記対象物と互いに影響し合う、独立したそれぞれの接触部を有し、
   第１の電圧信号群を第１の駆動要素群に提供する工程であって、前記第１の電圧信号群は少なくとも１つの電圧信号を含む工程と、
   第２の電圧信号群を第２の駆動要素群に提供する工程であって、前記第２の電圧信号群は少なくとも１つの電圧信号を含む工程と、
   前記第１の電圧信号群を制御して、前記第１の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第１の軌道に沿って移動させる工程と、
   前記第２の電圧信号群を制御して、前記第２の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第２の軌道に沿って移動させる工程と、
   前記第１および第２の軌道を構成して、ステップ運動の反復により、前記対象物を前記ステータに対して相対的に移動させて、前記ステータと前記対象物との機械的接触を確実にする工程と、
   前記第１および第２の軌道は、全ての点における空間において連続導関数を有する工程と、
   前記接触部の各軌道に沿った速度を異ならせることで、前記接触部が前記対象物と機械的接触を有しているときの平均速度を、前記接触部が機械的接触フリーとなっているときの平均速度よりも小さくする工程
   とを含むことを特徴とする電気機械モータの駆動方法。
5. 前記第１および第２の電圧信号群を制御して、前記接触部が前記対象物と機械的接触を有しているときに前記主変位方向に速度成分を付加するか、または、非スライド機械的接触を解放する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の電気機械モータの駆動方法。
6. 前記第１および第２の軌道は楕円形であり、前記第１および第２の電圧信号群は、時間に対して非線形の引数を有する正弦信号を含むことを特徴とする請求項４または５に記載の電気機械モータの駆動方法。
7. 前記正弦信号は以下の種類のものであり、
   

   

   Ｃ（ωｔ）は非一定（ｎｏｎ−ｃｏｎｓｔａｎｔ）関数であることを特徴とする請求項６に記載の電気機械モータの駆動方法。
8. Ｃ（ωｔ）は、主変位方向に一定速度を提供する区分関数であることを特徴とする請求項７に記載の電気機械モータの駆動方法。
9. 前記速度を異ならせる工程は、前記接触部が前記対象物と機械的接触を有している期間、前記接触部を区分一定速度で移動させる工程をさらに含み、これにより、前記接触部が前記対象物を機械的接触を維持している間、前記区分一定速度の前記主変位方向成分は実質的に一定に保持されることを特徴とする請求項４〜８に記載の電気機械モータの駆動方法。
10. 電気機械モータの駆動方法であって、
    前記電気機械モータは、複数の駆動要素によって主変位方向に移動させる対象物に作用するステータを有し、各駆動要素は、移動させる前記対象物と互いに影響し合う、独立したそれぞれの接触部を有し、
    第１の電圧信号群を第１の駆動要素群に提供する工程であって、前記第１の電圧信号群は少なくとも１つの電圧信号を含む工程と、
    第２の電圧信号群を第２の駆動要素群に提供する工程であって、前記第２の電圧信号群は少なくとも１つの電圧信号を含む工程と、
    前記第１の電圧信号群を制御して、前記第１の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第１の軌道に沿って移動させる工程と、
    前記第２の電圧信号群を制御して、前記第２の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第２の軌道に沿って移動させる工程と、
    前記第１および第２の軌道を構成して、ステップ運動の反復により、前記対象物を前記ステータに対して相対的に移動させて、前記ステータと前記対象物との機械的接触を確実にする工程と、
    前記対象物を前記ステータに対してパーキングする工程と、
    を含み、
    前記パーキング工程は、
    前記第１の駆動要素群上の電圧を一定に保持することにより、前記第１の電圧信号群を中断する工程であって、前記第１の駆動要素群は、前記対象物と機械的接触を有する工程と、
    保持位置において、前記第２の駆動要素群を前記対象物と機械的接触を有するように移動させる工程と、
    前記第１の駆動要素群を第１のパーキング位置に移動させる工程であって、前記第１のパーキング位置は、前記第１の駆動要素群に対してゼロ電圧が付加される位置として規定される工程と、
    前記保持位置から前記第２の駆動要素群を第２のパーキング位置まで変位させる工程であって、前記第２のパーキング位置は、前記第２の駆動要素群に対してゼロ電圧が付加される位置として規定される工程とを含み、
    前記変位は、前記対象物の主変位方向に対して実質的に垂直である
    ことを特徴とする電気機械モータの駆動方法。
11. 前記第２の駆動要素群を移動させる工程は、
    前記対象物との機械的接触を有しない前記第２の駆動要素群をグリップ準備位置まで移動させる工程と、
    前記グリップ準備位置から前記第２の駆動要素群を前記保持位置に移動させる工程であって、前記保持位置は、前記対象物の主変位方向に対して実質的に垂直である工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の電気機械モータの駆動方法。
12. 前記第１の駆動要素群を移動させる工程は、
    前記第１の駆動要素群を前記対象物の主変位方向に対して実質的に垂直方向に移動させて、解放位置まで移動させる工程であって、前記解放位置では、前記対象物との機械的接触は存在しない工程と、
    前記第１の駆動要素群を前記解放位置から第１のパーキング位置まで移動させる工程であって、前記第１のパーキング位置では、前記対象物との機械的接触は存在しない工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の電気機械モータの駆動方法。
13. 電気機械モータの駆動デバイスであって、
    前記電気機械モータは、複数の駆動要素によって主変位方向に移動させる対象物に作用するステータを有し、各駆動要素は、移動させる前記対象物と互いに影響し合う、独立したそれぞれの接触部を有し、
    第１の駆動要素群を対象とした接続部を有する第１の電圧信号提供手段と、
    第２の駆動要素群を対象とした接続部を有する第２の電圧信号提供手段と、
    前記第１の電圧信号提供手段に第１の電圧信号群を提供させて、前記第１の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第１の軌道に沿って移動させる第１の制御手段と、
    前記第２の電圧信号提供手段に第２の電圧信号群を提供させて、前記第２の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第２の軌道に沿って移動させる第２の制御手段と、
    前記第１および第２の軌道は、ステップ運動の反復により前記対象物の前記ステータに対する動作を生じさせるように構成され、これにより、前記ステータと前記対象物との間の機械的接触を確実にし、
    前記第１および第２の軌道は、軌道上の全点における導関数が連続関数である軌道であって、
    各軌道に沿って前記接触部の速度を異ならせることで、前記接触部が前記対象物と機械的接触を有している期間中の平均速度を、前記接触部が機械的接触からフリーとなっている期間中の平均速度よりも小さくする手段
    とを含むことを特徴とする電気機械モータの駆動デバイス。
14. 前記接触部が前記対象物と機械的接触を有している期間または前記接触部が前記機械的接触を解放している期間の間、前記第１および第２の電圧信号群を制御して、前記主変位方向における速度成分を与える手段をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の電気機械モータの駆動デバイス。
15. 前記第１および第２の軌道は楕円形であり、前記第１および第２の電圧信号群は、時間に対して非線形の引数を有する正弦信号を含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の電気機械モータの駆動デバイス。
16. 前記正弦信号は以下の種類のものであり、
    

    

    Ｃ（ωｔ）は非一定関数であることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
17. Ｃ（ωｔ）は区分関数であることを特徴とする請求項１６に記載の電気機械モータの駆動デバイス。
18. 前記速度を異ならせる手段は、前記接触部が前記対象物と機械的接触を有している期間の間、前記接触部を区分一定速度で移動させる手段をさらに含み、これにより、前記接触部が前記対象物を機械的接触を有している間、前記区分一定速度の前記主変位方向の成分は実質的に一定に保持されることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれかに記載の電気機械モータの駆動デバイス。
19. 電気機械モータであって、
    複数の駆動要素を備えたステータと、
    前記駆動要素の作動によって主変位方向に移動される対象物と、
    移動させる前記対象物と互いに影響し合う、独立したそれぞれの接触部を有する各駆動要素と、
    駆動デバイスと、
    第１の駆動要素群に接続された第１の電圧信号提供手段と、
    第２の駆動要素群に接続された第２の電圧信号提供手段と、
    前記第１の電圧信号提供手段に第１の電圧信号群を提供させて、前記第１の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第１の軌道に沿って移動させる第１の制御手段と、
    前記第２の電圧信号提供手段に第２の電圧信号群を提供させて、前記第２の駆動要素群の前記それぞれの接触部を第２の軌道に沿って移動させる第２の制御手段と、
    を含み、
    前記第１および第２の軌道は、ステップ運動の反復により、前記対象物を前記ステータに対して相対的に移動させるように構成され、これにより、前記ステータと前記対象物との機械的接触が確実となり、
    前記電気機械モータは、
    前記ステータと前記対象物との間に垂直力を付加する手段
    をさらに含み、
    前記垂直力の大きさは、前記ステータの弾性変形を生じさせるのに充分な大きさであり、前記垂直力の大きさは、前記対象物の主変位方向に対して垂直方向の接触部を不安定化させるための大きさと少なくとも同じ大きさであることを特徴とする電気機械モータ。
20. 前記ステップ運動の反復の駆動周波数は、前記ステータおよび前記対象物の共振周波数ｆ_ｒと同じ大きさであることを特徴とする請求項１９に記載の電気機械モータ。
21. 前記ステップ運動の反復の駆動周波数は０．３ｆ_ｒよりも高いことを特徴とする請求項２０に記載の電気機械モータ。
22. 前記接触部のうち少なくとも１つは、前記主変位方向の伸張性を有し、前記伸張性は、前記主変位方向における対応する駆動要素の平均幅よりも小さいことを特徴とする請求項１９〜２１のいずれかに記載の電気機械モータ。
23. 前記駆動要素のうち少なくとも１つは、端部で相互接続されている２つのバイモルフ部を含み、前記バイモルフ部には対向する電圧信号が供給され、これにより、前記駆動要素のうち少なくとも１つは、活性化されるとＳ字型形状をとることを特徴とする請求項１９〜２２のいずれかに記載の電気機械モータ。
24. 前記駆動要素のうち少なくとも１つの前記接触部の少なくとも１つには、前記主変位方向に対して傾斜した表面を有する第１の構造が設けられ、前記対象物は、前記第１の構造に対して幾何学的に相補的な第２の構造を有することを特徴とする請求項２３に記載の電気機械モータ。
25. 前記接触部には、各駆動要素の動作に従う曲率半径を有する歯付き表面が設けられることを特徴とする請求項２４に記載の電気機械モータ。
26. 前記対象物は、前記駆動要素の作動場所となる第１の部位と、第２の部位と、前記第１および第２の部位を接続する接続部とを含み、前記接続部は非リジッド接続を含むことを特徴とする請求項１９〜２５のいずれかに記載の電気機械モータ。
27. 前記非リジッド接続にはバネを用いることを特徴とする請求項２６に記載の電気機械モータ。
28. 前記非リジッド接続には減衰要素を用いることを特徴とする請求項２６または２７に記載の電気機械モータ。
29. 前記ステータはモノリシックブロックを含み、前記モノリシックブロックは、パッシブ部によって接続された前記駆動要素のうち少なくとも２つを含み、前記パッシブ部は、前記駆動要素のうち少なくとも２つの電極に接続された導電経路を含み、これにより、前記モノリシックブロックの反対側から電極に接触することが可能となることを特徴とする請求項１９〜２８のいずれかに記載の電気機械モータ。
30. 前記ステータは、少なくとも１対の前記駆動要素群を含み、これにより、反対側に前記対象物に移動させることを特徴とする請求項１９〜２９のいずれかに記載の電気機械モータ。

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