準共振駆動システムおよびその方法
ある構造および振動システムを含む、本発明の実施形態による駆動システムを開示する。該構造は、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するための少なくとも１つの点を有する。また、該構造は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、少なくとも２つの曲げモードを有する。該振動システムは、該構造の曲げモードのそれぞれに対する振動周波数の２つ以上の振動信号を印加する。振動周波数は、共振周波数のうちの１つと実質的に同一である。該振動周波数では、該構造の曲げモードのうちの一方は、実質的に共振振動し、該構造の曲げモードの他方は、部分的に共振振動する。振動システムは、２つ以上の印加された振動信号間の位相シフトを調節して、少なくとも２つの方向のうちのいずれに可動要素が移動させられるかを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００８年８月１８日出願の米国特許出願第１２／２２８，９４３号の恩典を主張するものであって、該出願は参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して、駆動システムおよびその方法に関し、より具体的には、準共振駆動システムおよびその方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
圧電技術を使用した変換器は、ナノメートルスケールの精密な位置調節のために使用される。典型的には、圧電デバイスは、帯電および放電時、形状を変化させるコンデンサに形成されるセラミックを含む。これらの圧電デバイスは、その形状変化特性（すなわち、振動）によって、位置調節アクチュエータとして使用可能である。そのような圧電デバイスが、位置調節アクチュエータとして使用される場合、該形状変化は、該印加される電圧差にほぼ比例する。
【０００４】
超音波駆動装置は、これらの圧電生成振動を使用し、高速、高トルク、小型サイズ、および静動作の継続的移動をもたらす。例示的な先行技術の超音波駆動システムは、螺刻されたナットを支持するシリンダを含む。シリンダは４つの対称的に位置付けられた圧電変換器を含み、円形軌道において、±９０度位相シフトを伴う超音波範囲内の第１の曲げモード共振周波数において、直交曲げモードのシリンダを同時に励起する。螺刻されたナットは、螺刻されたシャフトを直線的に移動させる螺刻されたシャフトを回転させるトルクを生成する第１の曲げモード共振周波数において、螺刻されたシャフトを周回する。
【０００５】
多くの超音波駆動装置は、典型的には、１００ｍｍ／ｓからさらには１０００ｍｍ／ｓにもおよぶ範囲の速度で動作する。しかしながら、本速度は、画像センサおよび光学カメラシステムの精密な位置制御には高速過ぎる。画像センサおよびセンサのアルゴリズムは、動きが不安定かつステップ解像度が低いため、十分な品質で画像を撮像することができない。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態による、駆動システムは、ある構造および振動システムを含む。この構造は、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するための少なくとも１つの点を有する。また、該構造は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、少なくとも２つの曲げモードを有する。該振動システムは、該構造の曲げモードのそれぞれに対する振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加する。該振動周波数は、共振周波数のうちの１つと実質的に同一である。該振動周波数において、該構造の曲げモードのうちの一方は、実質的に共振振動し、該構造の曲げモードの他方は、部分的に共振振動する。該振動システムは、２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、少なくとも２つの方向のうちのいずれに可動要素が移動されるかを制御する。
【０００７】
本発明の他の実施形態による、駆動システムを作製するための方法は、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するための少なくとも１つの点を有する構造を提供する工程を含む。構造は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、少なくとも２つの曲げモードを有する。２つ以上の振動周波数の振動信号を印加する振動システムは、該構造の曲げモードのそれぞれに連結される。該振動周波数は、共振周波数のうちの１つと実質的に同一である。該振動周波数において、該構造の曲げモードのうちの一方は、実質的に共振振動し、該構造の曲げモードの他方は、部分的に共振振動する。該振動システムは、２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、少なくとも２つの方向のうちのいずれに可動要素が移動されるかを制御する。
【０００８】
本発明の他の実施形態による光学システムは、少なくとも１つの光学構成要素および少なくとも１つの駆動システムを含む。該駆動システムは、振動システムと、摩擦連結されて１つ以上の方向に光学構成要素を移動させる構造とを備える。該構造は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、少なくとも２つの曲げモードを有する。該振動システムは、該構造の曲げモードのそれぞれに対する振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加する。該振動周波数は、共振周波数のうちの１つと実質的に同一である。該振動周波数において、該構造の曲げモードのうちの一方は、実質的に共振振動し、該構造の曲げモードの他方は、部分的に共振振動する。該振動システムは、２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、少なくとも２つの方向のうちのいずれに可動要素が移動されるかを制御する。
【０００９】
本発明は、より効果的かつ効率的な準共振駆動システムを提供することを含め、いくつかの利点をもたらす。一例にすぎないが、カメラにおけるオートフォーカスシステムおよびオートズームシステム等、種々の異なる用途において、準共振駆動システムを使用して、種々の異なる負荷を移動させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは、本発明の実施形態による、準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの部分的斜視図と、振動システムの部分的概略図である。図１Ｂは、図１Ａに図示される、アクチュエータシステムの端面図である。
【図２】図２Ａは、図１Ｂの２Ａ-２Ａを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図２Ｂは、図１Ｂの２Ｂ-２Ｂを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図２Ｃは、図１Ｂの２Ｃ-２Ｃを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図２Ｄは、図１Ｂの２Ｄ-２Ｄを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。
【図３】振動システムによって図１Ａに図示されるアクチュエータシステムに印加される、信号の実施例の略図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｃは、動作時における、図１Ａに図示される準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの正面図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、動作時における、図１Ａに図示される準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの上面図である。
【図６】図１Ａに図示されるアクチュエータシステムのための例示的な楕円軌道を示す略図である。
【図７】図７Ａは、図１Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、直線運動システムの側面図である。図７Ｂは、図７Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、直線運動システムの上面図である。
【図８】図８Ａは、図１Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、別の直線運動システムの側面図である。図８Ｂは、図８Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、直線運動システムの上面図である。
【図９】図９Ａは、図１Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、円形運動システムの側面図である。図９Ｂは、図９Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、円形運動システムの上面図である。
【図１０】図１０Ａは、図１Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、別の円形直線運動システムの側面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、円形運動システムの上面図である。
【図１１】図１１Ａ〜図１１Ｂは、本発明の実施形態による、準共振の実施例を示すグラフである。
【図１２】図１２Ａは、本発明の実施形態による、別の準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの部分的斜視図と、振動システムの部分的概略図である。図１２Ｂは、図１２Ａに図示される、アクチュエータシステムの右側端面図である。
【図１３】図１３Ａは、図１２Ｂの１３Ａ-１３Ａを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図１３Ｂは、図１２Ｂの１３Ｂ-１３Ｂを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図１３Ｃは、図１２Ｂの１３Ｃ-１３Ｃを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図１３Ｄは、図１２Ｂの１３Ｄ-１３Ｄを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。
【図１４】振動システムによって、図１２Ａに図示されるアクチュエータシステムに印加される信号の実施例の略図である。
【図１５】図１５Ａ〜図１５Ｃは、動作時における、図１２Ａに図示される準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの正面図である。
【図１６】図１６Ａ〜図１６Ｃは、動作時における、図１２Ａに図示される準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの上面図である。
【図１７】図１７Ａは、本発明の実施形態による、さらに別の準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの部分的斜視図と、振動システムの部分的概略図である。図１７Ｂは、図１７Ａに図示される、アクチュエータシステムの右側端面図である。
【図１８】図１８Ａは、図１７Ｂの１８Ａ-１８Ａを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図１８Ｂは、図１７Ｂの１８Ｂ-１８Ｂを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。
【図１９】振動システムによって、図１２Ａに図示されるアクチュエータシステムに印加される信号の実施例の略図である。
【図２０】図２０Ａ〜図２０Ｂは、図１７Ａに示されるアクチュエータシステムのための楕円経路の実施例の略図である。
【図２１】図２１Ａ〜図２１Ｂは、図１７Ａに示されるアクチュエータシステムのための直線的経路の実施例の略図である。
【図２２】図２２Ａは、本発明の実施形態による、準共振駆動システムを伴う、光学システムの斜視図である。図２２Ｂは、図２２Ａに示される、光学システムの分解図である。
【図２３】図２３Ａは、本発明の実施形態による、別の準共振駆動システムを伴う、別の光学システムの斜視図である。図２３Ｂは、図２３Ａに示される、光学システムの分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
本発明の実施形態による、準共振駆動システム１００が、図１Ａに図示される。準共振駆動システム１００は、アクチュエータシステム１０２および振動システム１０４を含むが、システム１００は、他の種類および数のシステム、デバイス、および他の手法で接続される構成要素を含むことも可能である。本発明は、より効果的かつ効率的準共振駆動システムを提供する。
【００１２】
より具体的に図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、アクチュエータシステム１０２は、２次元軌跡を生成し、一例にすぎないが光学レンズ等の可動負荷に摩擦連結し、少なくとも２つの対向する方向のいずれかに駆動するが、アクチュエータシステム１０２は、他の種類の軌跡を生成し、他の手法および他の場所に連結され、かつ他の方向に他の種類の負荷を移動させることも可能である。アクチュエータシステム１０２は、非対称の細長い構造１０３を含むが、アクチュエータシステム１０２は、他の形状および対称性を伴う、他の種類の構造を備えることも可能である。細長い構造１０３は、第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」を有する曲げモードを伴う奥行Ｄと、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」を有する曲げモードを伴う高さＨとを有する。高さＨは、概して、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」が、第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」より高くなるように、奥行Ｄを上回るが、該構造は、他の寸法を有することも可能である。一例にすぎないが、共振周波数に影響を及ぼす他の要因として、材料剛性、質量、ならびに内部電極の場所および配向が挙げられる。
【００１３】
図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、細長い構造１０３は、ともに同時焼成される複数の並列圧電層を備えるが、細長い構造１０３は、単一層等の他の種類および数の層、他の種類および数の領域を備えることもでき、他の製造プロセスも使用可能である。細長い構造１０３のための圧電層はそれぞれ、約１４マイクロメートル厚であるが、５マイクロメートル〜４０マイクロメートルの厚さ等、層のそれぞれに対して、他の厚さを使用することも可能である。細長い構造１０３に対して複数の圧電層を使用することによって、細長い構造１０３のために単一圧電層が使用される際に使用され得るものよりも低い印加電圧が使用可能である。
【００１４】
再び、図１Ａを参照すると、細長い構造１０３は、４つの圧電領域１０６、１０８、１１０、および１１２と、電極１１４（１）および１１４（２）、電極１１６（１）および１１６（２）、電極１１８（１）および１１８（２）と、電極１２０（１）および１２０（２）を含むが、該構造は、他の数および種類の領域ならびにコネクタを伴う、他の数および種類の構造を備えることも可能である。一例にすぎないが、代替実施形態では、２つの圧電領域１０６および１１２のうちの１つと、圧電領域１０８および１１０のうちの１つは、駆動振幅を低減させるがそれ以外はアクチュエータシステムの動作を変更しない不活性領域とすることが可能であるが、活性領域と不活性領域の他の組み合わせも使用可能である。
【００１５】
各圧電領域は、製造の際に分極することによって確立される極性を有し、正電極と負電極とをもたらす。圧電領域１０６、１０８、１１０、および１１２は、領域１０６に対して、「Ｌ」型電極１１４（１）が負（Ａ-）であって、「Ｌ」型電極１１４（２）が正（Ａ＋）であって、領域１１２に対して、「Ｌ」型電極１１６（２）が負（Ｂ-）であって、「Ｌ」型電極１１６（１）が正（Ｂ＋）であって、領域１０８に対して、「Ｌ」型電極１１８（１）が負（Ｃ-）であって、「Ｌ」型電極１１８（２）が正（Ｃ＋）であって、領域１１０に対して、「Ｌ」型電極１２０（２）が負（Ｄ-）であって、「Ｌ」型電極１２０（１）が正（Ｄ＋）であるように、製造の際に分極されるが、圧電領域は、他の様式でも形成可能である。細長い構造１０３では、圧電領域１０８および１１０は、図示されるように、相互に隣接し、外側圧電領域１０６と１１２との間に配置されるが、該構造は、他の構成において、他の数の圧電領域を有することも可能である。
【００１６】
図１Ａ、図１Ｂ、および図２Ａを参照すると、電極１１４（１）は、圧電領域１０６に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極１１４（２）は、領域１０６に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置され、分極プロセスによって、電極１１４（１）を負とし、電極１１４（２）を正とするように領域１０６の極性を確立するが、他の場所における他の種類および数の接続も使用可能である。図１Ａ、図１Ｂ、および図２Ｂを参照すると、電極１１６（１）は、圧電領域１１２に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極１１６（２）は、領域１１２に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置され、分極プロセスによって、電極１１６（２）を負とし、電極１１６（１）を正とするように領域１１２の極性を確立するが、他の場所における他の種類および数の接続も使用可能である。図１Ａ、図１Ｂ、および図２Ｃを参照すると、電極１１８（１）は、圧電領域１０８に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極１１８（２）は、領域１０８に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置され、分極プロセスによって、電極１１８（１）を負とし、電極１１８（２）を正とするように領域１０８の極性を確立するが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１Ａ、図１Ｂ、および図２Ｄを参照すると、電極１２０（１）は、圧電領域１１０に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極１２０（２）は、領域１１０に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置され、分極プロセスによって、電極１２０（２）を負とし、電極１２０（１）を正とするように領域１１０の極性を確立するが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。
【００１７】
再び、図１Ａを参照すると、振動システム１０４は一対のフルブリッジ駆動回路１２２（１）および１２２（２）を備え、そのそれぞれが電圧源Ｖｄｄに連結され、かつ一例として図３に図示される超音波方形波振動信号を提供する４つの出力１２４（１）〜１２４（４）を有するが、一例として正弦波形状信号等の他の種類の信号を提供する他の数の出力を伴う、一例にすぎないがハーフブリッジ回路システム等の他の種類および数の駆動回路およびシステムも使用可能である。フルブリッジ駆動回路１２２（１）からの出力１２４（１）は、電極１１４（１）および１１６（１）に連結され、フルブリッジ駆動回路１２２（１）からの出力１２４（２）は、電極１１４（２）および１１６（２）に連結され、フルブリッジ駆動回路１２２（２）からの出力１２４（３）は、電極１１８（１）および１２０（１）に連結され、フルブリッジ駆動回路１２２（２）からの出力１２４（４）は、電極１１８（２）および１２０（２）に連結されるが、他の種類および数の接続も使用可能である。フルブリッジ駆動回路１２２（１）および１２２（２）を伴う、振動システム１０４の利点の１つは、圧電領域１０６、１０８、１１０、および１１２のそれぞれの正電極および負電極の間の実効電圧差が、供給電圧Ｖｄｄの２倍であって、同一の供給電圧Ｖｄｄを伴うハーフブリッジ回路と比較して、機械的出力を効果的に２倍にし、空間を節約するが、他の種類のシステムも使用可能である。フルブリッジ回路の構成要素および動作は、当業者に周知であるため、本明細書では、詳細に説明されない。
【００１８】
次に、図１Ａ〜図１１Ｂを参照して、準共振駆動システム１００の動作について説明する。上述のように、細長い構造１０３は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、２つの曲げモード、モード１およびモード２を有する。これらの曲げモードのいずれの振動振幅も、印加される信号の振動周波数に依存する。振動システム１０４が、モード１の周波数「ｆｒｅｓ１」等の曲げモードの１つに対する共振周波数における振動信号を構造１０３の両曲げモードに印加すると、振動振幅は、その共振周波数で動作する曲げモードに対して完全に増幅され、部分的に共振動作する他方の曲げモードに対して部分的にのみ振幅される。振動システム１０４が、モード２の周波数等の曲げモードの他方に対する共振周波数「ｆｒｅｓ２」において、構造１０３の両曲げモードに信号を印加すると、振動振幅は、その共振周波数で動作する曲げモードに対して完全に増幅され、部分的に共振動作する他方の曲げモードに対して部分的にのみ振幅される。
【００１９】
次に、本明細書において準共振とも称される、部分的共振について、詳細に説明する。ｆにおける強制励起下の典型的機械的システムでは、正規化振幅Ａは、以下となる。
式中、Ａは、振幅（ＤＣレベルＡ０と相関的）であり、
であり、式中、ｆ０は、本システムの共振周波数であって、ｆは、駆動周波数である。ＱＭは、機械的品質係数である（ＱＭは、１００以上であり得る）。０（ＤＣ）から共振周波数（ｆ０）を優に超える周波数の典型的な振幅共振曲線は、ＤＣ時の振幅は、１に正規化される。共振（ｆ＝ｆ０）時の振幅は、ＱＭだけ増幅される。ｆ＞＞ｆ０時の振幅は、０近くまで降下する。共振周波数時、Ａは、１（ＤＣ時）からＱＭの範囲にできる。これらの実施形態では、部分的共振または準共振は、Ａが約２〜
の範囲にある時に生じるが、Ａが１〜ＱＭである場合等、本範囲外の他の範囲も使用され得る。
【００２０】
図１Ａおよび３を参照すると、フルブリッジ駆動回路１２２（１）および１２２（２）の出力１２４（１）〜１２４（４）からの４つの振動信号が図示されているが、他の数および種類の信号も使用可能である。本実施例では、Ｖｄｄは、２．８ボルトである。本実施例では、４つの振動信号は、出力１２４（１）〜１２４（４）から提供され、それぞれ、構造１０３の２つの曲げモードのうちの１つの共振周波数と実質的に同一の振動周波数を有する。さらに、出力１２４（１）〜１２４（２）からの振動信号は、２方向のうちの１つに、可動部材を移動させるために、振動システム１０４によって、出力１２４（３）〜１２４（４）からの振動信号に対して、約０度と９０度との間で位相シフトされるが、位相シフトの他の範囲も使用可能である。なお、振動システム１０４は、出力１２４（１）〜１２４（２）と出力１２４（３）〜１２４（４）との間において、可動部材を反対方向に移動させるために、約-１８０度と-９０度との間に位相シフトを調節するが、位相シフトの他の範囲も使用可能である。
【００２１】
図３および図４Ａ〜図４Ｃを参照すると、反対の極性の圧電領域１０６および１１２への異なる段階における出力１２４（１）〜１２４（２）からの振動信号の印加から生じる、曲げモードのうちの１つにおける構造１０３の運動が、図示される。図４（Ａ）は、構造１０３の静止（全電極への電圧がゼロ）時である。図３の段階１４２に示されるように、出力１２４（１）と１２４（２）との間の電圧差が正である時、領域１０６は、長さが増加し、領域１１２は、長さが減少し、図４（ｂ）に示されるように、構造１０３を屈曲させる。図３の段階１４０または１４４に示されるように、出力１２４（１）と１２４（２）との間の電圧差が負である時、領域１０６は、長さが減少し、領域１１２は、長さが増加し、図４（ｃ）に示されるように、構造１０３を屈曲させる。出力１２４（１）からの振動信号は、電極１１４（１）（Ａ-）および１１６（１）（Ｂ＋）に印加され、出力１２４（２）からの振動信号は、電極１１４（２）（Ａ＋）および１１６（２）（Ｂ-）に印加される。
【００２２】
図３および図５Ａ〜図５Ｃを参照すると、反対の極性の圧電領域１０８および１１０への異なる段階における出力１２４（３）〜１２４（４）からの振動信号の印加から生じる、曲げモードの他方における構造１０３の運動が、図示される。図５（Ａ）は、構造１０３の静止（全電極への電圧がゼロ）時である。図３の段階１４６または１５０に示されるように、出力１２４（３）と１２４（４）との間の電圧差が正である時、領域１０８は、長さが減少し、領域１１０は、長さが増加し、図５（ｂ）に示されるように、構造１０３を屈曲させる。図３の段階１４８に示されるように、出力１２４（３）と１２４（４）との間の電圧差が負である時、領域１０８は、長さが増加し、領域１１０は、長さが減少し、図５（ｃ）に示されるように、構造１０３を屈曲させる。出力１２４（３）からの振動信号は、電極１１８（１）（Ｃ-）および１２０（１）（Ｄ＋）に印加され、出力１２４（４）からの振動信号は、電極１１８（２）（Ｃ＋）および１２０（２）（Ｄ-）に印加される。
【００２３】
故に、上述のように、図３に図示されるようなフルブリッジ駆動回路１２２（１）および１２２（２）の出力１２４（１）〜１２４（４）からのアクチュエータシステム１０２への振動信号の印加は、アクチュエータシステム１０２に対して、楕円軌道の形状の２次元軌跡をもたらすが、アクチュエータシステム１０２は、他の直線的または成形軌跡が意図されることも可能である。上述のように、振動システム１０４は、アクチュエータシステム１０２が位相シフトの値に基づいて本楕円軌道経路において転動する方向を制御する。構造１０３の本曲げモードにおける準共振から生じる本楕円軌道のより狭小な部分は、アクチュエータシステム１０２がより小さくより精密なステップで可動要素を駆動させることを可能とする。
【００２４】
アクチュエータシステム１０２のための本楕円軌道経路は、図６に図示され、２つの波節点１２８（１）および１２８（２）と、３つの波腹点、すなわち中央波腹点１３０および終端波腹点１３２（１）および１３２（２）とを有する。本実施例では、構造１０３の中央波腹点１３０を使用して、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するが、終端波腹点１３２（１）および１３２（２）等の他の点も使用可能である。次に、一例にすぎないが、準共振駆動システム１００を使用する、直線的および円形の運動システムの実施形態が、図７Ａ〜図１０Ｂを参照して説明される。
【００２５】
より具体的に図７Ａ〜図７Ｂを参照すると、準共振駆動システム１００を使用する、直線運動システム１５２が図示されるが、直線運動システムは、一例にすぎないが、駆動システム２００および３００等の他の種類の駆動システムも使用可能である。直線運動システム１５２は、図６を参照して説明されるように、中央波腹点において、構造１０３の中央接触パッド１５４を使用し、直線運動出力を生成する。構造１０３は、図６を参照して説明される波節点で、構造１０３の２つの接触点１５８（１）および１５８（２）において、ブラケット１５６によって糊で固着されるが、糊等の他の種類の接着剤または他の固着システムも使用可能である。予荷重力１６０は、バネ式機構１６２を通して、ブラケット１５６に印加されるが、他の種類の付勢システムも使用可能である。接触パッド１５４は、構造１０３の中央点にあって、方向１６６にリニア軸受１６８上を自由に移動する、スライダ１６４（１）に対して予荷重される。構造１０３が、共振または準共振モードで動作時、構造１０３は、円形または細長い楕円形状等の２次元軌跡を有し、方向１６６に沿ってスライダ１６４（１）を押動させる、正味摩擦力をもたらす。
【００２６】
スライダ１６４（１）は、リニア軸受１６８によって、方向１６６にのみ自由に移動するように制限されるが、他の構成も使用可能である。一例にすぎないが、リニア軸受１６８は、スライダ１６４（１）を方向１６６に自由に、かつ方向１６６にゼロではない最小の力で移動させる一方、依然として、スライダ１６４（１）の他の自由度を制約する、たわみガイドシステムと置換可能である。
【００２７】
図８Ａ〜図８Ｂを参照すると、準共振駆動システム１００を使用する、別の直線運動システム１７０が図示されるが、直線運動システムは、一例にすぎないが、駆動システム２００および３００等の他の種類の駆動システムも使用可能である。直線運動システム１５２におけるものと類似する、直線運動システム１７０における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。直線運動システム１７０は、本明細書に説明および図示されるものを除き、直線運動システム１５２と同一の構造および動作である。直線運動システム１７０は、図６を参照して説明されるように、終端波腹点において、構造１０３の終端接触パッド１７２（１）および１７２（２）を使用し、直線運動出力を生成する。接触パッド１７２（１）および１７２（２）は、構造１０３の終端点にあって、リニア軸受１６８上を方向１６６に自由に移動する、別のスライダ１６４（２）に対して予荷重される。構造１０３が、共振または準共振モードで動作すると、構造１０３は、円形または細長い楕円形状等の２次元軌跡を有し、方向１６６に沿ってスライダ１６４（２）を押動させる正味摩擦力をもたらす。２つの接触パッド１７２（１）および１７２（２）は、常に、構造１０３の対称性のため、同相で作用するであろう。
【００２８】
スライダ１６４（２）は、リニア軸受１６８によって、方向１６６にのみ自由に移動するように制限されるが、他の構成も使用可能である。一例にすぎないが、リニア軸受１６８は、方向１６６に自由に、かつ方向１６６にゼロではない最小の力で移動させる一方、依然として、スライダ１６４（２）の他の自由度を制約する、たわみガイドシステムと置換可能である。
【００２９】
図９Ａ〜図９Ｂを参照すると、準共振駆動システム１００を使用する、円形運動システム１７２が図示されるが、円形運動システムは、他の種類の駆動システムも使用可能である。直線運動システム１５２におけるものに類似する、円形運動システム１７２における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。接触パッド１５４は、構造１０３の中央点にあって、回転軸受１７８（１）および対向する端部にある１７８（２）上に回転可能に着座する、シャフト１７７上の回転ホイール１７６（１）に対して予荷重される。構造１０３が、共振または準共振モードで動作すると、構造１０３は、円形または細長い楕円形状等の２次元軌跡を有し、方向１８２に沿って、ホイール１７６（１）を押動し、シャフト１７７を中心に回転させる、正味摩擦力をもたらす。
【００３０】
図１０Ａ〜図１０Ｂを参照すると、準共振駆動システム１００を使用する、円形運動システム１８４が図示されるが、円形運動システムは、他の種類の駆動システムも使用され得る。円形運動システム１７２のものに類似する、円形運動システム１８４における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。接触パッド１７２（１）および１７２（２）は、構造１０３の終端点にあって、対向する端部にある回転軸受１７８（１）および１７８（２）上に回転可能に着座する、シャフト１７７上の回転ホイール１７６（２）に対して予荷重される。構造１０３が、共振または準共振モードで動作すると、構造１０３は、円形または細長い楕円形状等の２次元軌跡を有し、方向１８２に沿って、ホイール１７６（２）を押動し、シャフト１７７を中心に回転せる、正味摩擦力をもたらす。
【００３１】
図１１Ａ〜図１１Ｂを参照すると、これらのグラフは、駆動周波数（その共振周波数によって正規化される）の関数として、モード２の例示的な共振変位振幅および変位位相曲線を図示する。本実施例では、モード２の共振周波数１９６は、１１７ＫＨｚであって、機械的品質係数Ｑｍ２は、５０である。なお、本実施例では、アクチュエータシステム１０２は、１０５ＫＨｚ（モード１共振周波数）で駆動され、相対周波数は、点１９７における、１０５／１１７＝〜０．９である。さらに、点１９７における振幅１９２は、点１９４におけるＤＣレベルまたは超低周波数における振幅の約５倍である。モード２の振幅１９２（意図される運動を実際に駆動する振動）は、多少増幅される。対照的に、モード１の振幅は、その共振周波数で動作するため、完全に増幅される。
【００３２】
準共振駆動システム１００の場合、比較的に高い機械的品質係数Ｑｍ２のため、モード２の変位と電圧信号との間の位相シフト１９３は、０°に近くなる（ＤＣレベル１９５における位相に近い）。さらに、その共振周波数で動作するため、モード１の変位と電圧信号との間に-９０°の機械的位相シフト１９１が存在する。したがって、モード１およびモード２の電気駆動信号のための位相差は、図６に図示されるような順方向または逆方向運動のための最適化楕円軌道を達成するためには、約０または１８０度である。本明細書に図示および説明されるように、準共振駆動システム１００の動作時、両位相の品質係数および共振周波数は、最適化位相差に効果を有するため、モード１とモード２との間の電圧位相差角度は、典型的には、最適性能のために、０または１８０度から若干偏移されるように調節される。
【００３３】
準共振駆動システム１００を使用する、いくつかの利点がある。例えば、準共振駆動システム１００は、従来技術の超音波モータシステムの非一貫性運動を克服する。モード１運動が、本発明において、Ｑｍ１によって完全に増幅されると、アクチュエータシステム１０２は、十分な垂直力差および十分な押動力を生成し、接触表面の非均一性、システムコンプライアンス、および駆動方向における運動に影響を及ぼし得る他の障害を克服する。モード２運動は、Ｑｍ２（例えば、５０〜１００）よりも低い増幅を有する（例えば、数回）。本実施例では、位相２運動は、作動方向に沿っており、２０ｎｍのＤＣ運動の約５倍の１００ｎｍのステップをもたらす。１０５ＫＨｚ動作の場合、理論的速度は、約１０ｍｍ／ｓであるが、実際の速度は、摩擦損失によって、１秒当たり数ミリメートルとなる。準共振駆動システム１００は、より低速度かつ高精度要件を有するオートズームおよびオートフォーカス用途にも使用可能である。
【００３４】
加えて、準共振駆動システム１００は、モード２において、例えば、製造上の公差および環境変化による、共振周波数のずれの影響を受けにくい。先行技術のシステムの場合、モード１およびモード２の共振周波数の整合は、モータ性能に対して重要な意味を持つ。両モードが高Ｑｍを有する場合、その共振周波数における若干の不整合は、モータ押動力および速度に有意な損失をもたらし得る。対照的に、準共振駆動システム１００が、モード１の共振周波数とモード２の準共振で動作する場合、モード２の振動振幅および位相は、劇的に変化しない。結果として生じるモータ性能（すなわち、速度および押動力）は、より安定し、製造上の公差および環境変化に反応しない。その結果、準共振駆動システム１００は、モード２からの共振周波数のずれの影響を受けにくい。
【００３５】
図１２Ａ〜図１６Ｃを参照すると、本発明の他の実施形態による、準共振駆動システム２００が図示される。準共振駆動システム２００は、本明細書に説明および図示されるものを除き、準共振駆動システム１００と同一構造および動作を有する。準共振駆動システム１００におけるものと類似する、準共振駆動システム２００における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。
【００３６】
より具体的に図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、アクチュエータシステム２０２は、２次元軌跡を生成し、一例にすぎないが光学レンズ等の可動負荷に摩擦連結し、光学レンズ等の可動負荷を、少なくとも２つの対向する方向のいずれかに駆動するが、アクチュエータシステム２０２は他の種類の軌跡を生成し、他の手法により他の場所で連結され、ならび他の方向に他の種類の負荷を移動させることもあり得る。アクチュエータシステム２０２は、非対称な細長い構造２０３を含むが、アクチュエータシステム２０２は、他の形状および対称性を伴う、他の種類の構造を備えることも可能である。細長い構造２０３は、第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」を有する曲げモードを伴う奥行Ｄと、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」を有する曲げモードを伴う高さＨとを有する。高さＨは、概して、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」が第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」より高くなるように、奥行Ｄを上回る。共振周波数に影響を及ぼす他の要因として、材料剛性、質量、ならびに内部電極の場所および配向が挙げられる。
【００３７】
図１３Ａ〜図１３Ｄを参照すると、細長い構造２０３は、ともに同時焼成される複数の並列圧電層を備えるが、細長い構造２０３は、単一層等の他の種類および数の層、他の種類および数の領域を備えることもでき、他の製造プロセスも使用可能である。細長い構造２０３の圧電層のそれぞれは、約１４マイクロメートル厚であるが、５マイクロメートル〜４０マイクロメートルの厚さ等、層のそれぞれに対して、他の厚さも使用可能である。細長い構造２０３に対して複数の圧電層を使用することによって、細長い構造１０３のために単一圧電層が使用される際に可能となる場合よりも低い印加電圧が使用可能である。
【００３８】
再び、図１２Ａを参照すると、細長い構造２０３は、４つの圧電領域２０６、２０８、２１０、および２１２と、電極２１４（１）および２１４（２）と、電極２１６（１）および２１６（２）と、電極２１８（１）および２１８（２）と、電極２２０（１）および２２０（２）とを含むが、該構造は、他の数および種類の領域ならびにコネクタを伴う、他の数および種類の構造を備えることも可能である。一例にすぎないが、代替実施形態では、２つの圧電領域２０６および２１２のうちの１つと、圧電領域２０８および２１０のうちの１つは、駆動振幅を低減させるがそれ以外はアクチュエータシステムの動作を変更しない不活性領域とすることが可能であるが、活性領域と不活性領域の他の組み合わせも使用可能である。
【００３９】
圧電領域２０６、２０８、２１０、および２１２は、製造の際、特定の正および負の電極を有するように分極されるが、圧電領域は、他の手法でも形成可能である。より具体的には、圧電領域２０６、２０８、２１０、および２１２は、製造の際、「Ｌ」型電極が、以下の極性を有するように分極される。圧電領域２０６に対して、電極２１４（１）が負（Ａ-）であって、電極２１４（２）が正（Ａ＋）であって、圧電領域２１２に対して、電極２１６（１）が正（Ｂ＋）であって、電極２１６（２）が負（Ｂ-）であって、圧電領域２０８に対して、電極２１８（１）が負（Ｃ-）であって、電極２１８（２）が正（Ｃ＋）であって、圧電領域２１０に対して、電極２２０（１）が正（Ｄ＋）であって、電極２２０（２）が負（Ｄ-）である。細長い構造２０３では、圧電領域２０６および２１２は、図示されるように、相互に隣接して、外側圧電領域２０８と２１０との間に配置されるが、該構造は、他の構成において、他の数の圧電領域を有することも可能である。
【００４０】
図１２Ａ、１２Ｂ、および１３Ａを参照すると、電極２１４（１）は、圧電領域２０６に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極２１４（２）は、領域２０６に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１３Ｂを参照すると、電極２１６（１）は、圧電領域２１２に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極２１６（２）は、圧電領域２１２に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１３Ｃを参照すると、電極２１８（１）は、圧電領域２０８に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極２１８（２）は、圧電領域２０８に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１３Ｄを参照すると、電極２２０（１）は、圧電領域２１０に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極２２０（２）は、圧電領域２２０に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。
【００４１】
再び、図１２Ａを参照すると、振動システム２０４は、それぞれ、電圧源Ｖｄｄに連結され、一例として図１４に図示される超音波方形波振動信号を提供する４つの出力２２４（１）〜２２４（４）を有する一対のフルブリッジ駆動回路２２２（１）および２２２（２）を備えるが、一例として正弦波形状信号等の他の種類の信号を提供する他の数の出力を伴う、一例にすぎないがハーフブリッジ回路システム等の他の種類および数の駆動回路およびシステムも使用可能である。フルブリッジ駆動回路２２２（１）からの出力２２４（１）は、電極２１４（１）および２１６（１）に連結され、フルブリッジ駆動回路２２２（１）からの出力２２４（２）は、電極２１４（２）および２１６（２）に連結され、フルブリッジ駆動回路２２２（２）からの出力２２４（３）は、電極２１８（１）および２２０（１）に連結され、フルブリッジ駆動回路２２２（２）からの出力２２４（４）は、電極２１８（２）および２２０（２）に連結されるが、他の種類および数の接続も使用され得る。フルブリッジ駆動回路２２２（１）および２２２（２）を伴う、振動システム２０４の利点の１つは、圧電領域２０６、２０８、２１０、および２１２のそれぞれの対向する電極および負電極にわたる実効電圧差が、供給電圧Ｖｄｄの２倍であって、同一供給電圧Ｖｄｄを伴うハーフブリッジ回路と比較して、機械的出力を効果的に２倍にし、空間を節約することであるが、他の種類のシステムも使用され得る。フルブリッジ回路の構成要素および動作は、当業者に周知であるため、本明細書では、詳細に説明されない。
【００４２】
次に、図６〜図１６Ｃを参照して、準共振駆動システム２００の動作について説明する。細長い構造２０３は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、２つの曲げモード、モード１およびモード２を有する。これらの曲げモードのいずれの振幅も、印加される信号の振動周波数に依存する。振動システム２０４が、モード１の周波数「ｆｒｅｓ１」等の曲げモードの一方に対する共振周波数において、構造２０３の両曲げモードに振動信号を印加すると、振動振幅は、その共振周波数で動作する曲げモードに対して完全に増幅され、部分的に共振動作する他方の曲げモードに対して部分的にのみ増幅される。振動システム２０４が、モード２の周波数等の曲げモードの他方に対する共振周波数「ｆｒｅｓ２」において、構造２０３の両曲げモードに信号を印加すると、振動振幅は、その共振周波数で動作する曲げモードに対して完全に増幅され、部分的に共振動作する他方の曲げモードに対して部分的にのみ増幅される。
【００４３】
一例にすぎないが、フルブリッジ駆動回路２２２（１）および２２２（２）の出力２２４（１）〜２２４（４）からの４つの振動信号が、図１４に図示される。本実施例では、Ｖｄｄは、２．８ボルトである。本実施例では、Ｖｄｄは、２．８ボルトである。本実施例では、４つの振動信号は、出力２２４（１）〜２２４（４）から提供され、それぞれ、構造２０３の２つの曲げモードのうちの１つの共振周波数と実質的に同一の振動周波数を有する。さらに、出力２２４（１）〜２２４（２）からの振動信号は、２方向のうちの１つに可動部材を移動させるために、振動システム２０４によって、出力２２４（３）〜２２４（４）からの振動信号に対して、約０度と９０度との間で位相シフトされるが、位相シフトの他の範囲も使用可能である。さらに、振動システム２０４は、出力２２４（１）-２２４（２）と出力２２４（３）-２２４（４）との間において、可動部材を反対方向に移動させるために、約-１８０度と-９０度との間に位相シフトの方向を調節するが、位相シフトの他の範囲も使用可能である。
【００４４】
図１４および図１５Ａ〜図１５Ｃを参照すると、反対の極性の圧電領域２０６および２２２への異なる段階時の出力２２４（１）〜２２４（２）からの振動信号の印加から生じる、曲げモードのうちの１つにおける構造２０３の運動が、図示される。図１５（Ａ）は、構造２０３の静止（全電極への電圧がゼロ）時である。出力２２４（１）と２２４（２）との間の電圧差が正である時、図１４の段階２４２に示されるように、領域２０６は、長さが増加し、領域２１２は、長さが減少し、図１５（ｂ）に示されるように、構造２０３を屈曲させる。出力２２４（１）と２２４（２）との間の電圧差が負である時、図１４の段階２４０または２４４に示されるように、領域２０６は、長さが減少し、領域２１２は、長さが増加し、図１５（ｃ）に示されるように、構造２０３を屈曲させる。出力２２４（１）からの振動信号は、電極２１４（１）（Ａ-）および２１６（１）（Ｂ＋）に印加され、出力２２４（２）からの振動信号は、電極２１４（２）（Ａ＋）および２１６（２）（Ｂ-）に印加される。
【００４５】
図１４および図１６Ａ〜図１６Ｃを参照すると、反対の極性圧電領域２０８および２１０への異なる段階時の出力２２４（３）〜２２４（４）からの振動信号の印加から生じる、曲げモードの他方における構造２０３の運動が、図示される。図１６（Ａ）は、構造２０３の静止（全電極への電圧がゼロ）時である。出力２２４（３）と２２４（４）との間の電圧差が正である時、図１４の段階２４６または２５０に示されるように、領域２０８は、長さが増加し、領域２１０は、長さが減少し、図１６（ｃ）に示されるように、構造２０３を屈曲させる。出力２２４（３）と２２４（４）との間の電圧差が負である時、図１４の段階２４８に示されるように、領域２０８は、長さが減少し、領域２１０は、長さが増加し、図１６（ｂ）に示されるように、構造２０３を屈曲させる。出力２２４（３）からの振動信号は、電極２１８（１）（Ｃ-）および２２０（１）（Ｄ＋）に印加され、出力２２４（４）からの振動信号は、電極２１８（２）（Ｃ＋）および２２０（２）（Ｄ-）に印加される。
【００４６】
故に、上述のように、図１４に図示されるようなフルブリッジ駆動回路２２２（１）および２２２（２）の出力２２４（１）〜２２４（４）からのアクチュエータシステム２０２への振動信号の印加は、アクチュエータシステム２０２に対して、楕円軌道の形状の２次元軌跡をもたらすが、アクチュエータシステム２０２は、他の直線的または成形軌跡が意図されることも可能である。上述のように、振動システム２０４は、アクチュエータシステム２０２が位相シフトの値に基づいて本楕円軌道経路において転動する方向を制御する。構造２０３の本曲げモードにおける準共振から生じる本楕円軌道のより狭小な部分は、アクチュエータシステム２０２が極めてより小さくより精密なステップで可動要素を駆動させることを可能とする。
【００４７】
アクチュエータシステム２０２のための本楕円軌道経路は、アクチュエータシステム１０２について図６に図示され、かつ２つの波節点１２８（１）および１２８（２）と、３つの波腹点、すなわち中央波腹点１３０および終端波腹点１３２（１）および１３２（２）とを有するものと同様である。本実施例では、同様に、構造２０３の中央波腹点１３０を、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するために使用するが、終端波腹点１３２（１）および１３２（２）等の他の点も使用され得る。さらに、図８Ａ〜図１１Ｂを参照して説明される、準共振駆動システム１００を使用する、直線的および円形の運動システムの実施形態は、準共振駆動システム２００と同一であるため、ここでは再び説明されない。
【００４８】
図１７Ａ〜図２１Ｂを参照すると、本発明の他の実施形態による、準共振駆動システム３００が図示される。準共振駆動システム３００は、本明細書に説明および図示されるものを除き、準共振駆動システム１００と同一の構造および動作である。準共振駆動システム１００のものに類似する、準共振駆動システム３００における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。
【００４９】
より具体的に図１７Ａおよび図１７Ｂを参照すると、アクチュエータシステム３０２は、２次元軌跡を生成し、一例にすぎないが光学レンズ等の可動負荷に摩擦連結し、光学レンズ等の可動負荷を少なくとも２つの対向する方向のいずれかに駆動するが、アクチュエータシステム３０２は、他の種類の軌跡を生成し、他の手法でおよび他の場所で連結され、ならびに他の方向に他の種類の負荷を移動させることも可能である。一例にすぎないが、アクチュエータシステム３０２は、図２０Ａ〜２０Ｂに図示される楕円軌跡と、図２１Ａ〜２１Ｂに図示される直線的軌跡を生成可能である。アクチュエータシステム３０２は、非対称の細長い構造３０３を含むが、アクチュエータシステム３０２は、他の形状および対称性を伴う、他の種類の構造を備えることも可能である。細長い構造３０３は、第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」を有する曲げモードを伴う奥行Ｄと、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」を有する曲げモードを伴う高さＨとを有する。高さＨは、概して、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」が第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」より高くなるように、奥行Ｄを上回る。共振周波数に影響を及ぼす他の要因として、材料剛性、質量、ならびに内部電極の場所および配向が挙げられる。
【００５０】
図１８Ａ〜図１８Ｄを参照すると、細長い構造３０３は、電極を伴わない不活性層３３２とともに同時焼成される複数の並列圧電層を備えるが、細長い構造３０３は、他の種類および数の層、他の種類および数の領域を備えることもでき、他の製造プロセスも使用可能である。細長い構造３０３の圧電層のそれぞれは、約１４マイクロメートル厚であるが、５マイクロメートル〜４０マイクロメートルの厚さ等、層のそれぞれに対して、他の厚さも使用可能である。細長い構造３０３に対して複数の圧電層を使用することによって、単一圧電層が使用される際に可能となる場合よりも低い印加電圧が使用可能である。
【００５１】
再び、図１７Ａを参照すると、細長い構造１０３は、２つの圧電領域３０６および３１２と、不活性層３３２と、電極３１４（１）および３１４（２）と、電極３１６（１）および３１６（２）とを含むが、該構造は、他の数および種類の領域ならびにコネクタを伴う、他の数および種類の構造を備えることも可能である。
【００５２】
圧電領域３０６および３１２は、製造の際、極性を有しかつ特定の正および負の「Ｌ」型電極を有するように分極されるが、圧電領域は、他の手法でも形成可能である。より具体的には、製造の際、圧電領域３０６は、電極３１４（１）が負（Ａ-）を、電極３１４（２）が正（Ａ＋）を有するように分極される。さらに、圧電領域３１２は、電極３１６（１）が正（Ｂ＋）を、電極３１６（２）が負（Ｂ-）を有するように分極される。細長い構造１０３では、圧電領域３０６および３１２は、相互に隣接して配置され、両方とも、隣接する不活性層３３２であるが、該構造は、他の構成を有することも可能である。
【００５３】
図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１８Ａを参照すると、電極３１４（１）は、圧電領域３０６に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極３１４（２）は、圧電領域３０６のための圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１８Ｂを参照すると、電極３１６（１）は、圧電領域３１２のための圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極３１６（２）は、圧電領域３１２のための圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も使用可能である。
【００５４】
再び、図１７Ａを参照すると、振動システム３０４は、フルブリッジ駆動回路３２２と、一対のスイッチ３３０（１）および３３０（２）とを備えるが、振動システム３０４は、他の数および種類のシステム、デバイス、および構成要素を備えることもあり得る。フルブリッジ駆動回路３２２は、電圧源Ｖｄｄに連結され、スイッチ３３０（１）に連結される出力３２４（１）と、スイッチ３３０（２）に連結される出力３２４（２）とを有する。スイッチ３３０（１）および３３０（２）の移動は、同様に、構造における２つの直交モード振動の位相シフトも制御する、制御システム３３１によって制御されるが、他の種類の制御システムも使用され得る。フルブリッジ駆動回路３２２は、一例として図１９に図示される超音波方形波振動信号を提供するが、一例として正弦波形状信号等の他の種類の信号を提供する他の数の出力を伴う、一例にすぎないがハーフブリッジ回路システム等の他の種類および数の駆動回路およびシステムも使用可能である。本実施例では、Ｖｄｄは、２．８ボルトである。フルブリッジ駆動回路３２２からの出力３２４（１）は、スイッチ３３０（１）の位置に応じて、電極３１４（１）または電極３１６（１）のいずれかに連結され、フルブリッジ駆動回路３２２からの出力３２４（２）は、スイッチ３３０（１）の位置に応じて、電極３１４（２）または電極３１６（２）のいずれかに連結されるが、他の種類および数の接続も使用され得る。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１４（１）につなぐと、スイッチ３３０（２）は、出力３２４（２）の振動信号を電極３１４（２）につなぐ。さらに、スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１６（１）につなぐと、スイッチ３３０（２）は、出力３２４（２）の振動信号を電極３１６（２）につなぐが、他の切替パターンも使用可能である。フルブリッジ回路の構成要素および動作は、当業者に周知であるため、本明細書では、詳細に説明されない。スイッチ３３０（１）および３３０（２）は、２つの接続状態のみ使用されるようにリンクされ（すなわち、双投二重位置スイッチにまとめられる）、一方の状態では、出力３２４（１）は、電極３１４（１）に接続され、出力３２４（２）は、電極３１４（２）に接続され、他方の状態では、出力３２４（１）は、電極３１６（１）に接続され、出力３２４（２）は、電極３１６（２）に接続される。これらの２つの状態の目的は、２つの直交振動の位相および可動部材の方向を変化させることである。
【００５５】
次に、図１７Ａ〜図２１Ｂを参照して、準共振駆動システム３００の動作について説明する。細長い構造３０３は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、２つの曲げモード、モード１およびモード２も有する。これらの曲げモードのいずれの振動振幅も、印加される信号の振動周波数に依存する。本実施形態では、振動システム３０４が、準共振にある、構造３０３の曲げモードのための振動周波数である、振動信号を印加するが、他の周波数も使用可能である。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１４（１）に印加し、スイッチ３３０（２）が、出力３２４（２）の振動信号を電極３１４（２）に印加し、電極３１６（１）および３１６（２）に信号が印加されないと、該構造は、図２０Ａに図示されるように、楕円軌跡で駆動される。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１６（１）に印加し、スイッチ３３０（２）が、出力３２４（２）の振動信号を電極３１６（２）に印加し、電極３１４（１）および３１４（２）に信号が印加されないと、該構造は、図２０Ｂに図示されるように、別の楕円軌跡で駆動される。本実施形態では、１つの圧電領域のみ励起され、構造３０３を両曲げモード１およびモード２で同時に屈曲させる。モード１とモード２との間の位相シフトは、構造３０３の物理的特性によって、実質的に固定される。位相シフトを変化させ、したがって、方向を変化させるために、異なる圧電領域が駆動されなければならず、これは、スイッチ３３０（１）および３３０（２）によって遂行される。
【００５６】
代替実施形態では、曲げモードのそれぞれにおける共振周波数が実質的に同一であるように、構造３０３を、実質的に対称形状を有すると仮定する。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１４（１）に印加し、スイッチ３３０（２）が、出力３２４（２）の振動信号を電極３１４（２）に印加し、電極３１６（１）および３１６（２）に信号が印加されないと、該構造は、図２１Ａに図示されるように、直線的軌跡で駆動される。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１６（１）に印加し、スイッチ３３０（２）が、出力３２４（２）の振動信号を電極３１６（２）に印加し、電極３１４（１）および３１４（２）に信号が印加されないと、該構造は、図２１Ｂに図示されるように、別の直線的軌跡で駆動される。本実施形態では、１つの圧電領域のみ励起され、構造３０３を両曲げモード１およびモード２に同時に屈曲させる。モード１とモード２との間の位相シフトは、構造３０３の物理的特性によって、実質的に固定される。位相シフトを変化させ、したがって、方向を変化させるために、異なる圧電領域が駆動されなければならず、これは、スイッチ３３０（１）および３３０（２）によって遂行される。
【００５７】
アクチュエータシステム３０２のための楕円軌道経路は、アクチュエータシステム１０２について図６に図示されかつ２つの波節点１２８（１）および１２８（２）と、３つの波腹点：中央波腹点１３０および終端波腹点１３２（１）および１３２（２）とを有するものと同様である。本実施例では、同様に、構造３０３の中央波腹点１３０を、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するために使用するが、終端波腹点１３２（１）および１３２（２）等の他の点も使用され得る。さらに、図８Ａ〜図１１Ｂを参照して説明される、準共振駆動システム１００を使用する、直線的および円形の運動システムの実施形態は、準共振駆動システム３００と同一であるため、再度説明されない。
【００５８】
図２２Ａおよび図２２Ｂを参照すると、焦点レンズ４１０を制御および駆動させるためのオートフォーカスシステム４００が使用される。オートフォーカスシステム４００は、本明細書に図示および説明される、アクチュエータシステム１０２ならびに振動システム１０４を伴う、準共振駆動システム１００と、接触および摩擦パッド４０２と、対向するパッド４０７および４０８と、溝４０９と、焦点レンズ４１０と、孔４１１と、ワイヤバネ４１５と、ベース４２０と、支持点４２１と、開口切り欠き４２５とを含むが、システム４００は、他の種類および数のシステム、デバイス、構成要素、および他の構成による要素を備えることもあり得る。アクチュエータシステム１０２は、その２つの波節点１２８（１）および１２８（２）（図６参照）が、ベース４２０上の支持点４２１にくるように接合されるが、アクチュエータシステム１０２は、他の手法でも固着可能である。
【００５９】
３つの半球接触／摩擦パッド４０２は、アクチュエータシステム１０２の端部に結合される。接触および摩擦パッドと整合する２つの対向するパッド４０７および４０８は、焦点レンズ４１０に取り着けられる。パッド４０７および４０８は、アクチュエータシステム１０２が、振動システム１０４によって起動されると、レンズ４１０に直線ガイドを提供する。パッド４０８は、２つの接触／摩擦パッド４０２と対向する「Ｖ」溝４０９を有し、パッド４０７は、１つの接触および摩擦パッド４０２と対向する平坦表面を有する。接触パッド４０２ならびに対向するパッド４０７および４０８は、一例にすぎないが、ジルコニアまたはアルミナ等のセラミック材料から作製されてもよい。さらに、パッド４０２、４０７、４０８の形状およびサイズは、小半球として示されるが、パッド４０２、４０７、４０８が、任意のサイズまたは形状であってもよいことが理解されるであろう。
【００６０】
焦点レンズ４１０は、焦点レンズ４１０上の小孔４１１において、ワイヤバネ４１５によって、ｘ方向に予荷重されるが、焦点レンズは、他の手法でも荷重可能である。ワイヤバネ４１５は、ベース４２０上の開口切り欠き４２５（切り欠き図として示される）に固定される。ワイヤバネ４１５は、直線ガイド（レンズ進行範囲制限のため）としての役割を果たすとともに、レンズ４１０が移動するときに、ｘ方向に比較的一定な予荷重力をレンズ４１０に提供する。レンズ４１０が中立位置から離れるように移動すると、レンズ４１０は、ｙ軸にごくわずかな復元力を有する。
【００６１】
図２３Ａおよび図２３Ｂを参照すると、本発明の他の実施形態による、オートフォーカスシステム５００が、図示される。オートフォーカスシステム５００は、本明細書に図示および説明される、アクチュエータシステム２０２ならびに振動システム２０４を伴う、準共振駆動システム２００と、接触および摩擦パッド５０２と、溝５０３と、金属シム５０５と、板バネ５０６と、レンズ本体５１０と、二重屈曲部５１５と、脚部５１６と、ベース５２０と、支柱５２１と、上表面５２２、切り欠き５２３と、支点５３０とを含むが、システム５００は、他の種類および数のシステム、デバイス、構成要素、および他の構成の要素を備えることもあり得る。オートフォーカスシステム５００の側壁は、明確にするために、図２３Ａおよび図２３Ｂには示されない。
【００６２】
アクチュエータシステム２０２は、板バネ５０６によって、波節点１２８（１）および１２８（２）（図６参照）で接合されるが、アクチュエータシステム２０２は、他の手法でも固着可能である。板バネ５０６は、予切断され、「Ｌ」型のより大きな金属シム５０５から半解放されるが、板バネは、他の手法で形成され、他の形状および構成を有することも可能である。２つの支点５３０は、シム５０５と板バネ５０６をともに接続するが、他の種類および数の接続点も使用可能である。シム５０５および板バネ５０６は、例えば、化学フォトエッチング、ワイヤＥＤＭ、またはマイクロマシニング技術を使用して、ともに形成可能である。また、板バネ５０６は、アクチュエータシステム２０２をｘ軸に予荷重するように、アクチュエータシステム２０２に向かって予屈曲される。支点５３０は、幾分可撓性であって、したがって、オートフォーカスシステム５００の組み立ての際、アクチュエータシステム２０２をそれ自身レンズ５１０と整列させる。
【００６３】
接触および摩擦パッド５０２は、アクチュエータシステム２０２の中央で接合され、レンズ本体５１０の側面の直線溝５０３に沿って移動可能であるが、摩擦パッドは、他の手法でも固着可能である。接触および摩擦パッド５０２は、アクチュエータシステム２０２が振動システム２０４によって起動されると、レンズ５１０を駆動し、移動させる。
【００６４】
レンズ本体５１０は、４つの薄い脚部５１６Ａおよび５１６Ｂを有する、金属シムから作製される、二重屈曲部５１５に接合される。本システムのベース５２０は、２つの支柱５２１Ａおよび５２１Ｂを有する。支柱５２１Ａおよび５２１Ｂの下側にあるのは、切り出した切り欠き５２３であって、下側脚部５１６Ｂが定位置に挿入および接合される。上側脚部５１６Ａは、支柱５２１Ａおよび５２１Ｂの上表面５２２に接合される。
【００６５】
板バネ５０６を通してアクチュエータシステム２０２を保持する、金属シム５０５は、「Ｌ」形状の角で支柱５２１Ｂに接合される。板バネ５０６は、レンズ５１０が移動するときに、ｘ軸に必要とされる一定の予荷重力を提供する一方、二重屈曲部５１５は、レンズ進行範囲の制限のための直線ガイドとしての役割を果たす。レンズ５１０が、中立位置から離れるように移動するときに、二重屈曲部５１５は、ｙ軸にごくわずかな復元力を有する。
【００６６】
上に述べたように、本発明の基本概念を説明したが、上述の詳細な開示は、一例としてのみ提示することを意図し、限定として意図されるものではないことは、当業者には明白であろう。本明細書に明示的に記載されないが、種々の変更、改良、および修正が、当業者には想起および意図されるであろう。これらの変更、改良、および修正は、本明細書によって示唆されることが意図され、これらは本発明の精神および範囲内である。さらに、列挙される処理要素またはシーケンスの順番、あるいはそのための数字、文字、または他の記号表示の使用は、したがって、特許請求の範囲に指定され得る場合を除き、請求されるプロセスをいかなる順番にも限定されることを意図するものではない。故に、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価物によってのみ限定される。
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００８年８月１８日出願の米国特許出願第１２／２２８，９４３号の恩典を主張するものであって、該出願は参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して、駆動システムおよびその方法に関し、より具体的には、準共振駆動システムおよびその方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
圧電技術を使用した変換器は、ナノメートルスケールの精密な位置調節のために使用される。典型的には、圧電デバイスは、帯電および放電時、形状を変化させるコンデンサに形成されるセラミックを含む。これらの圧電デバイスは、その形状変化特性（すなわち、振動）によって、位置調節アクチュエータとして使用可能である。そのような圧電デバイスが、位置調節アクチュエータとして使用される場合、該形状変化は、該印加される電圧差にほぼ比例する。
【０００４】
超音波駆動装置は、これらの圧電生成振動を使用し、高速、高トルク、小型サイズ、および静動作の継続的移動をもたらす。例示的な先行技術の超音波駆動システムは、螺刻されたナットを支持するシリンダを含む。シリンダは４つの対称的に位置付けられた圧電変換器を含み、円形軌道において、±９０度位相シフトを伴う超音波範囲内の第１の曲げモード共振周波数において、直交曲げモードのシリンダを同時に励起する。螺刻されたナットは、螺刻されたシャフトを直線的に移動させる螺刻されたシャフトを回転させるトルクを生成する第１の曲げモード共振周波数において、螺刻されたシャフトを周回する。
【０００５】
多くの超音波駆動装置は、典型的には、１００ｍｍ／ｓからさらには１０００ｍｍ／ｓにもおよぶ範囲の速度で動作する。しかしながら、本速度は、画像センサおよび光学カメラシステムの精密な位置制御には高速過ぎる。画像センサおよびセンサのアルゴリズムは、動きが不安定かつステップ解像度が低いため、十分な品質で画像を撮像することができない。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態による、駆動システムは、ある構造および振動システムを含む。この構造は、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するための少なくとも１つの点を有する。また、該構造は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、少なくとも２つの曲げモードを有する。該振動システムは、該構造の曲げモードのそれぞれに対する振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加する。該振動周波数は、共振周波数のうちの１つと実質的に同一である。該振動周波数において、該構造の曲げモードのうちの一方は、実質的に共振振動し、該構造の曲げモードの他方は、部分的に共振振動する。該振動システムは、２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、少なくとも２つの方向のうちのいずれに可動要素が移動されるかを制御する。
【０００７】
本発明の他の実施形態による、駆動システムを作製するための方法は、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するための少なくとも１つの点を有する構造を提供する工程を含む。構造は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、少なくとも２つの曲げモードを有する。２つ以上の振動周波数の振動信号を印加する振動システムは、該構造の曲げモードのそれぞれに連結される。該振動周波数は、共振周波数のうちの１つと実質的に同一である。該振動周波数において、該構造の曲げモードのうちの一方は、実質的に共振振動し、該構造の曲げモードの他方は、部分的に共振振動する。該振動システムは、２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、少なくとも２つの方向のうちのいずれに可動要素が移動されるかを制御する。
【０００８】
本発明の他の実施形態による光学システムは、少なくとも１つの光学構成要素および少なくとも１つの駆動システムを含む。該駆動システムは、振動システムと、摩擦連結されて１つ以上の方向に光学構成要素を移動させる構造とを備える。該構造は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、少なくとも２つの曲げモードを有する。該振動システムは、該構造の曲げモードのそれぞれに対する振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加する。該振動周波数は、共振周波数のうちの１つと実質的に同一である。該振動周波数において、該構造の曲げモードのうちの一方は、実質的に共振振動し、該構造の曲げモードの他方は、部分的に共振振動する。該振動システムは、２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、少なくとも２つの方向のうちのいずれに可動要素が移動されるかを制御する。
【０００９】
本発明は、より効果的かつ効率的な準共振駆動システムを提供することを含め、いくつかの利点をもたらす。一例にすぎないが、カメラにおけるオートフォーカスシステムおよびオートズームシステム等、種々の異なる用途において、準共振駆動システムを使用して、種々の異なる負荷を移動させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは、本発明の実施形態による、準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの部分的斜視図と、振動システムの部分的概略図である。図１Ｂは、図１Ａに図示される、アクチュエータシステムの端面図である。
【図２】図２Ａは、図１Ｂの２Ａ-２Ａを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図２Ｂは、図１Ｂの２Ｂ-２Ｂを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図２Ｃは、図１Ｂの２Ｃ-２Ｃを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図２Ｄは、図１Ｂの２Ｄ-２Ｄを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。
【図３】振動システムによって図１Ａに図示されるアクチュエータシステムに印加される、信号の実施例の略図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｃは、動作時における、図１Ａに図示される準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの正面図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、動作時における、図１Ａに図示される準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの上面図である。
【図６】図１Ａに図示されるアクチュエータシステムのための例示的な楕円軌道を示す略図である。
【図７】図７Ａは、図１Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、直線運動システムの側面図である。図７Ｂは、図７Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、直線運動システムの上面図である。
【図８】図８Ａは、図１Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、別の直線運動システムの側面図である。図８Ｂは、図８Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、直線運動システムの上面図である。
【図９】図９Ａは、図１Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、円形運動システムの側面図である。図９Ｂは、図９Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、円形運動システムの上面図である。
【図１０】図１０Ａは、図１Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、別の円形直線運動システムの側面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに図示される準共振駆動システムを使用する、円形運動システムの上面図である。
【図１１】図１１Ａ〜図１１Ｂは、本発明の実施形態による、準共振の実施例を示すグラフである。
【図１２】図１２Ａは、本発明の実施形態による、別の準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの部分的斜視図と、振動システムの部分的概略図である。図１２Ｂは、図１２Ａに図示される、アクチュエータシステムの右側端面図である。
【図１３】図１３Ａは、図１２Ｂの１３Ａ-１３Ａを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図１３Ｂは、図１２Ｂの１３Ｂ-１３Ｂを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図１３Ｃは、図１２Ｂの１３Ｃ-１３Ｃを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図１３Ｄは、図１２Ｂの１３Ｄ-１３Ｄを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。
【図１４】振動システムによって、図１２Ａに図示されるアクチュエータシステムに印加される信号の実施例の略図である。
【図１５】図１５Ａ〜図１５Ｃは、動作時における、図１２Ａに図示される準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの正面図である。
【図１６】図１６Ａ〜図１６Ｃは、動作時における、図１２Ａに図示される準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの上面図である。
【図１７】図１７Ａは、本発明の実施形態による、さらに別の準共振駆動システムのためのアクチュエータシステムの部分的斜視図と、振動システムの部分的概略図である。図１７Ｂは、図１７Ａに図示される、アクチュエータシステムの右側端面図である。
【図１８】図１８Ａは、図１７Ｂの１８Ａ-１８Ａを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。図１８Ｂは、図１７Ｂの１８Ｂ-１８Ｂを通る線に沿って切り取られたアクチュエータシステムの断面上面図である。
【図１９】振動システムによって、図１２Ａに図示されるアクチュエータシステムに印加される信号の実施例の略図である。
【図２０】図２０Ａ〜図２０Ｂは、図１７Ａに示されるアクチュエータシステムのための楕円経路の実施例の略図である。
【図２１】図２１Ａ〜図２１Ｂは、図１７Ａに示されるアクチュエータシステムのための直線的経路の実施例の略図である。
【図２２】図２２Ａは、本発明の実施形態による、準共振駆動システムを伴う、光学システムの斜視図である。図２２Ｂは、図２２Ａに示される、光学システムの分解図である。
【図２３】図２３Ａは、本発明の実施形態による、別の準共振駆動システムを伴う、別の光学システムの斜視図である。図２３Ｂは、図２３Ａに示される、光学システムの分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
本発明の実施形態による、準共振駆動システム１００が、図１Ａに図示される。準共振駆動システム１００は、アクチュエータシステム１０２および振動システム１０４を含むが、システム１００は、他の種類および数のシステム、デバイス、および他の手法で接続される構成要素を含むことも可能である。本発明は、より効果的かつ効率的準共振駆動システムを提供する。
【００１２】
より具体的に図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、アクチュエータシステム１０２は、２次元軌跡を生成し、一例にすぎないが光学レンズ等の可動負荷に摩擦連結し、少なくとも２つの対向する方向のいずれかに駆動するが、アクチュエータシステム１０２は、他の種類の軌跡を生成し、他の手法および他の場所に連結され、かつ他の方向に他の種類の負荷を移動させることも可能である。アクチュエータシステム１０２は、非対称の細長い構造１０３を含むが、アクチュエータシステム１０２は、他の形状および対称性を伴う、他の種類の構造を備えることも可能である。細長い構造１０３は、第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」を有する曲げモードを伴う奥行Ｄと、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」を有する曲げモードを伴う高さＨとを有する。高さＨは、概して、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」が、第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」より高くなるように、奥行Ｄを上回るが、該構造は、他の寸法を有することも可能である。一例にすぎないが、共振周波数に影響を及ぼす他の要因として、材料剛性、質量、ならびに内部電極の場所および配向が挙げられる。
【００１３】
図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、細長い構造１０３は、ともに同時焼成される複数の並列圧電層を備えるが、細長い構造１０３は、単一層等の他の種類および数の層、他の種類および数の領域を備えることもでき、他の製造プロセスも使用可能である。細長い構造１０３のための圧電層はそれぞれ、約１４マイクロメートル厚であるが、５マイクロメートル〜４０マイクロメートルの厚さ等、層のそれぞれに対して、他の厚さを使用することも可能である。細長い構造１０３に対して複数の圧電層を使用することによって、細長い構造１０３のために単一圧電層が使用される際に使用され得るものよりも低い印加電圧が使用可能である。
【００１４】
再び、図１Ａを参照すると、細長い構造１０３は、４つの圧電領域１０６、１０８、１１０、および１１２と、電極１１４（１）および１１４（２）、電極１１６（１）および１１６（２）、電極１１８（１）および１１８（２）と、電極１２０（１）および１２０（２）を含むが、該構造は、他の数および種類の領域ならびにコネクタを伴う、他の数および種類の構造を備えることも可能である。一例にすぎないが、代替実施形態では、２つの圧電領域１０６および１１２のうちの１つと、圧電領域１０８および１１０のうちの１つは、駆動振幅を低減させるがそれ以外はアクチュエータシステムの動作を変更しない不活性領域とすることが可能であるが、活性領域と不活性領域の他の組み合わせも使用可能である。
【００１５】
各圧電領域は、製造の際に分極することによって確立される極性を有し、正電極と負電極とをもたらす。圧電領域１０６、１０８、１１０、および１１２は、領域１０６に対して、「Ｌ」型電極１１４（１）が負（Ａ-）であって、「Ｌ」型電極１１４（２）が正（Ａ＋）であって、領域１１２に対して、「Ｌ」型電極１１６（２）が負（Ｂ-）であって、「Ｌ」型電極１１６（１）が正（Ｂ＋）であって、領域１０８に対して、「Ｌ」型電極１１８（１）が負（Ｃ-）であって、「Ｌ」型電極１１８（２）が正（Ｃ＋）であって、領域１１０に対して、「Ｌ」型電極１２０（２）が負（Ｄ-）であって、「Ｌ」型電極１２０（１）が正（Ｄ＋）であるように、製造の際に分極されるが、圧電領域は、他の様式でも形成可能である。細長い構造１０３では、圧電領域１０８および１１０は、図示されるように、相互に隣接し、外側圧電領域１０６と１１２との間に配置されるが、該構造は、他の構成において、他の数の圧電領域を有することも可能である。
【００１６】
図１Ａ、図１Ｂ、および図２Ａを参照すると、電極１１４（１）は、圧電領域１０６に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極１１４（２）は、領域１０６に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置され、分極プロセスによって、電極１１４（１）を負とし、電極１１４（２）を正とするように領域１０６の極性を確立するが、他の場所における他の種類および数の接続も使用可能である。図１Ａ、図１Ｂ、および図２Ｂを参照すると、電極１１６（１）は、圧電領域１１２に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極１１６（２）は、領域１１２に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置され、分極プロセスによって、電極１１６（２）を負とし、電極１１６（１）を正とするように領域１１２の極性を確立するが、他の場所における他の種類および数の接続も使用可能である。図１Ａ、図１Ｂ、および図２Ｃを参照すると、電極１１８（１）は、圧電領域１０８に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極１１８（２）は、領域１０８に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置され、分極プロセスによって、電極１１８（１）を負とし、電極１１８（２）を正とするように領域１０８の極性を確立するが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１Ａ、図１Ｂ、および図２Ｄを参照すると、電極１２０（１）は、圧電領域１１０に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極１２０（２）は、領域１１０に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置され、分極プロセスによって、電極１２０（２）を負とし、電極１２０（１）を正とするように領域１１０の極性を確立するが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。
【００１７】
再び、図１Ａを参照すると、振動システム１０４は一対のフルブリッジ駆動回路１２２（１）および１２２（２）を備え、そのそれぞれが電圧源Ｖｄｄに連結され、かつ一例として図３に図示される超音波方形波振動信号を提供する４つの出力１２４（１）〜１２４（４）を有するが、一例として正弦波形状信号等の他の種類の信号を提供する他の数の出力を伴う、一例にすぎないがハーフブリッジ回路システム等の他の種類および数の駆動回路およびシステムも使用可能である。フルブリッジ駆動回路１２２（１）からの出力１２４（１）は、電極１１４（１）および１１６（１）に連結され、フルブリッジ駆動回路１２２（１）からの出力１２４（２）は、電極１１４（２）および１１６（２）に連結され、フルブリッジ駆動回路１２２（２）からの出力１２４（３）は、電極１１８（１）および１２０（１）に連結され、フルブリッジ駆動回路１２２（２）からの出力１２４（４）は、電極１１８（２）および１２０（２）に連結されるが、他の種類および数の接続も使用可能である。フルブリッジ駆動回路１２２（１）および１２２（２）を伴う、振動システム１０４の利点の１つは、圧電領域１０６、１０８、１１０、および１１２のそれぞれの正電極および負電極の間の実効電圧差が、供給電圧Ｖｄｄの２倍であって、同一の供給電圧Ｖｄｄを伴うハーフブリッジ回路と比較して、機械的出力を効果的に２倍にし、空間を節約するが、他の種類のシステムも使用可能である。フルブリッジ回路の構成要素および動作は、当業者に周知であるため、本明細書では、詳細に説明されない。
【００１８】
次に、図１Ａ〜図１１Ｂを参照して、準共振駆動システム１００の動作について説明する。上述のように、細長い構造１０３は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、２つの曲げモード、モード１およびモード２を有する。これらの曲げモードのいずれの振動振幅も、印加される信号の振動周波数に依存する。振動システム１０４が、モード１の周波数「ｆｒｅｓ１」等の曲げモードの１つに対する共振周波数における振動信号を構造１０３の両曲げモードに印加すると、振動振幅は、その共振周波数で動作する曲げモードに対して完全に増幅され、部分的に共振動作する他方の曲げモードに対して部分的にのみ振幅される。振動システム１０４が、モード２の周波数等の曲げモードの他方に対する共振周波数「ｆｒｅｓ２」において、構造１０３の両曲げモードに信号を印加すると、振動振幅は、その共振周波数で動作する曲げモードに対して完全に増幅され、部分的に共振動作する他方の曲げモードに対して部分的にのみ振幅される。
【００１９】
次に、本明細書において準共振とも称される、部分的共振について、詳細に説明する。ｆにおける強制励起下の典型的機械的システムでは、正規化振幅Ａは、以下となる。
式中、Ａは、振幅（ＤＣレベルＡ０と相関的）であり、
であり、式中、ｆ０は、本システムの共振周波数であって、ｆは、駆動周波数である。ＱＭは、機械的品質係数である（ＱＭは、１００以上であり得る）。０（ＤＣ）から共振周波数（ｆ０）を優に超える周波数の典型的な振幅共振曲線は、ＤＣ時の振幅は、１に正規化される。共振（ｆ＝ｆ０）時の振幅は、ＱＭだけ増幅される。ｆ＞＞ｆ０時の振幅は、０近くまで降下する。共振周波数時、Ａは、１（ＤＣ時）からＱＭの範囲にできる。これらの実施形態では、部分的共振または準共振は、Ａが約２〜
の範囲にある時に生じるが、Ａが１〜ＱＭである場合等、本範囲外の他の範囲も使用され得る。
【００２０】
図１Ａおよび３を参照すると、フルブリッジ駆動回路１２２（１）および１２２（２）の出力１２４（１）〜１２４（４）からの４つの振動信号が図示されているが、他の数および種類の信号も使用可能である。本実施例では、Ｖｄｄは、２．８ボルトである。本実施例では、４つの振動信号は、出力１２４（１）〜１２４（４）から提供され、それぞれ、構造１０３の２つの曲げモードのうちの１つの共振周波数と実質的に同一の振動周波数を有する。さらに、出力１２４（１）〜１２４（２）からの振動信号は、２方向のうちの１つに、可動部材を移動させるために、振動システム１０４によって、出力１２４（３）〜１２４（４）からの振動信号に対して、約０度と９０度との間で位相シフトされるが、位相シフトの他の範囲も使用可能である。なお、振動システム１０４は、出力１２４（１）〜１２４（２）と出力１２４（３）〜１２４（４）との間において、可動部材を反対方向に移動させるために、約-１８０度と-９０度との間に位相シフトを調節するが、位相シフトの他の範囲も使用可能である。
【００２１】
図３および図４Ａ〜図４Ｃを参照すると、反対の極性の圧電領域１０６および１１２への異なる段階における出力１２４（１）〜１２４（２）からの振動信号の印加から生じる、曲げモードのうちの１つにおける構造１０３の運動が、図示される。図４（Ａ）は、構造１０３の静止（全電極への電圧がゼロ）時である。図３の段階１４２に示されるように、出力１２４（１）と１２４（２）との間の電圧差が正である時、領域１０６は、長さが増加し、領域１１２は、長さが減少し、図４（ｂ）に示されるように、構造１０３を屈曲させる。図３の段階１４０または１４４に示されるように、出力１２４（１）と１２４（２）との間の電圧差が負である時、領域１０６は、長さが減少し、領域１１２は、長さが増加し、図４（ｃ）に示されるように、構造１０３を屈曲させる。出力１２４（１）からの振動信号は、電極１１４（１）（Ａ-）および１１６（１）（Ｂ＋）に印加され、出力１２４（２）からの振動信号は、電極１１４（２）（Ａ＋）および１１６（２）（Ｂ-）に印加される。
【００２２】
図３および図５Ａ〜図５Ｃを参照すると、反対の極性の圧電領域１０８および１１０への異なる段階における出力１２４（３）〜１２４（４）からの振動信号の印加から生じる、曲げモードの他方における構造１０３の運動が、図示される。図５（Ａ）は、構造１０３の静止（全電極への電圧がゼロ）時である。図３の段階１４６または１５０に示されるように、出力１２４（３）と１２４（４）との間の電圧差が正である時、領域１０８は、長さが減少し、領域１１０は、長さが増加し、図５（ｂ）に示されるように、構造１０３を屈曲させる。図３の段階１４８に示されるように、出力１２４（３）と１２４（４）との間の電圧差が負である時、領域１０８は、長さが増加し、領域１１０は、長さが減少し、図５（ｃ）に示されるように、構造１０３を屈曲させる。出力１２４（３）からの振動信号は、電極１１８（１）（Ｃ-）および１２０（１）（Ｄ＋）に印加され、出力１２４（４）からの振動信号は、電極１１８（２）（Ｃ＋）および１２０（２）（Ｄ-）に印加される。
【００２３】
故に、上述のように、図３に図示されるようなフルブリッジ駆動回路１２２（１）および１２２（２）の出力１２４（１）〜１２４（４）からのアクチュエータシステム１０２への振動信号の印加は、アクチュエータシステム１０２に対して、楕円軌道の形状の２次元軌跡をもたらすが、アクチュエータシステム１０２は、他の直線的または成形軌跡が意図されることも可能である。上述のように、振動システム１０４は、アクチュエータシステム１０２が位相シフトの値に基づいて本楕円軌道経路において転動する方向を制御する。構造１０３の本曲げモードにおける準共振から生じる本楕円軌道のより狭小な部分は、アクチュエータシステム１０２がより小さくより精密なステップで可動要素を駆動させることを可能とする。
【００２４】
アクチュエータシステム１０２のための本楕円軌道経路は、図６に図示され、２つの波節点１２８（１）および１２８（２）と、３つの波腹点、すなわち中央波腹点１３０および終端波腹点１３２（１）および１３２（２）とを有する。本実施例では、構造１０３の中央波腹点１３０を使用して、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するが、終端波腹点１３２（１）および１３２（２）等の他の点も使用可能である。次に、一例にすぎないが、準共振駆動システム１００を使用する、直線的および円形の運動システムの実施形態が、図７Ａ〜図１０Ｂを参照して説明される。
【００２５】
より具体的に図７Ａ〜図７Ｂを参照すると、準共振駆動システム１００を使用する、直線運動システム１５２が図示されるが、直線運動システムは、一例にすぎないが、駆動システム２００および３００等の他の種類の駆動システムも使用可能である。直線運動システム１５２は、図６を参照して説明されるように、中央波腹点において、構造１０３の中央接触パッド１５４を使用し、直線運動出力を生成する。構造１０３は、図６を参照して説明される波節点で、構造１０３の２つの接触点１５８（１）および１５８（２）において、ブラケット１５６によって糊で固着されるが、糊等の他の種類の接着剤または他の固着システムも使用可能である。予荷重力１６０は、バネ式機構１６２を通して、ブラケット１５６に印加されるが、他の種類の付勢システムも使用可能である。接触パッド１５４は、構造１０３の中央点にあって、方向１６６にリニア軸受１６８上を自由に移動する、スライダ１６４（１）に対して予荷重される。構造１０３が、共振または準共振モードで動作時、構造１０３は、円形または細長い楕円形状等の２次元軌跡を有し、方向１６６に沿ってスライダ１６４（１）を押動させる、正味摩擦力をもたらす。
【００２６】
スライダ１６４（１）は、リニア軸受１６８によって、方向１６６にのみ自由に移動するように制限されるが、他の構成も使用可能である。一例にすぎないが、リニア軸受１６８は、スライダ１６４（１）を方向１６６に自由に、かつ方向１６６にゼロではない最小の力で移動させる一方、依然として、スライダ１６４（１）の他の自由度を制約する、たわみガイドシステムと置換可能である。
【００２７】
図８Ａ〜図８Ｂを参照すると、準共振駆動システム１００を使用する、別の直線運動システム１７０が図示されるが、直線運動システムは、一例にすぎないが、駆動システム２００および３００等の他の種類の駆動システムも使用可能である。直線運動システム１５２におけるものと類似する、直線運動システム１７０における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。直線運動システム１７０は、本明細書に説明および図示されるものを除き、直線運動システム１５２と同一の構造および動作である。直線運動システム１７０は、図６を参照して説明されるように、終端波腹点において、構造１０３の終端接触パッド１７２（１）および１７２（２）を使用し、直線運動出力を生成する。接触パッド１７２（１）および１７２（２）は、構造１０３の終端点にあって、リニア軸受１６８上を方向１６６に自由に移動する、別のスライダ１６４（２）に対して予荷重される。構造１０３が、共振または準共振モードで動作すると、構造１０３は、円形または細長い楕円形状等の２次元軌跡を有し、方向１６６に沿ってスライダ１６４（２）を押動させる正味摩擦力をもたらす。２つの接触パッド１７２（１）および１７２（２）は、常に、構造１０３の対称性のため、同相で作用するであろう。
【００２８】
スライダ１６４（２）は、リニア軸受１６８によって、方向１６６にのみ自由に移動するように制限されるが、他の構成も使用可能である。一例にすぎないが、リニア軸受１６８は、方向１６６に自由に、かつ方向１６６にゼロではない最小の力で移動させる一方、依然として、スライダ１６４（２）の他の自由度を制約する、たわみガイドシステムと置換可能である。
【００２９】
図９Ａ〜図９Ｂを参照すると、準共振駆動システム１００を使用する、円形運動システム１７２が図示されるが、円形運動システムは、他の種類の駆動システムも使用可能である。直線運動システム１５２におけるものに類似する、円形運動システム１７２における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。接触パッド１５４は、構造１０３の中央点にあって、回転軸受１７８（１）および対向する端部にある１７８（２）上に回転可能に着座する、シャフト１７７上の回転ホイール１７６（１）に対して予荷重される。構造１０３が、共振または準共振モードで動作すると、構造１０３は、円形または細長い楕円形状等の２次元軌跡を有し、方向１８２に沿って、ホイール１７６（１）を押動し、シャフト１７７を中心に回転させる、正味摩擦力をもたらす。
【００３０】
図１０Ａ〜図１０Ｂを参照すると、準共振駆動システム１００を使用する、円形運動システム１８４が図示されるが、円形運動システムは、他の種類の駆動システムも使用され得る。円形運動システム１７２のものに類似する、円形運動システム１８４における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。接触パッド１７２（１）および１７２（２）は、構造１０３の終端点にあって、対向する端部にある回転軸受１７８（１）および１７８（２）上に回転可能に着座する、シャフト１７７上の回転ホイール１７６（２）に対して予荷重される。構造１０３が、共振または準共振モードで動作すると、構造１０３は、円形または細長い楕円形状等の２次元軌跡を有し、方向１８２に沿って、ホイール１７６（２）を押動し、シャフト１７７を中心に回転せる、正味摩擦力をもたらす。
【００３１】
図１１Ａ〜図１１Ｂを参照すると、これらのグラフは、駆動周波数（その共振周波数によって正規化される）の関数として、モード２の例示的な共振変位振幅および変位位相曲線を図示する。本実施例では、モード２の共振周波数１９６は、１１７ＫＨｚであって、機械的品質係数Ｑｍ２は、５０である。なお、本実施例では、アクチュエータシステム１０２は、１０５ＫＨｚ（モード１共振周波数）で駆動され、相対周波数は、点１９７における、１０５／１１７＝〜０．９である。さらに、点１９７における振幅１９２は、点１９４におけるＤＣレベルまたは超低周波数における振幅の約５倍である。モード２の振幅１９２（意図される運動を実際に駆動する振動）は、多少増幅される。対照的に、モード１の振幅は、その共振周波数で動作するため、完全に増幅される。
【００３２】
準共振駆動システム１００の場合、比較的に高い機械的品質係数Ｑｍ２のため、モード２の変位と電圧信号との間の位相シフト１９３は、０°に近くなる（ＤＣレベル１９５における位相に近い）。さらに、その共振周波数で動作するため、モード１の変位と電圧信号との間に-９０°の機械的位相シフト１９１が存在する。したがって、モード１およびモード２の電気駆動信号のための位相差は、図６に図示されるような順方向または逆方向運動のための最適化楕円軌道を達成するためには、約０または１８０度である。本明細書に図示および説明されるように、準共振駆動システム１００の動作時、両位相の品質係数および共振周波数は、最適化位相差に効果を有するため、モード１とモード２との間の電圧位相差角度は、典型的には、最適性能のために、０または１８０度から若干偏移されるように調節される。
【００３３】
準共振駆動システム１００を使用する、いくつかの利点がある。例えば、準共振駆動システム１００は、従来技術の超音波モータシステムの非一貫性運動を克服する。モード１運動が、本発明において、Ｑｍ１によって完全に増幅されると、アクチュエータシステム１０２は、十分な垂直力差および十分な押動力を生成し、接触表面の非均一性、システムコンプライアンス、および駆動方向における運動に影響を及ぼし得る他の障害を克服する。モード２運動は、Ｑｍ２（例えば、５０〜１００）よりも低い増幅を有する（例えば、数回）。本実施例では、位相２運動は、作動方向に沿っており、２０ｎｍのＤＣ運動の約５倍の１００ｎｍのステップをもたらす。１０５ＫＨｚ動作の場合、理論的速度は、約１０ｍｍ／ｓであるが、実際の速度は、摩擦損失によって、１秒当たり数ミリメートルとなる。準共振駆動システム１００は、より低速度かつ高精度要件を有するオートズームおよびオートフォーカス用途にも使用可能である。
【００３４】
加えて、準共振駆動システム１００は、モード２において、例えば、製造上の公差および環境変化による、共振周波数のずれの影響を受けにくい。先行技術のシステムの場合、モード１およびモード２の共振周波数の整合は、モータ性能に対して重要な意味を持つ。両モードが高Ｑｍを有する場合、その共振周波数における若干の不整合は、モータ押動力および速度に有意な損失をもたらし得る。対照的に、準共振駆動システム１００が、モード１の共振周波数とモード２の準共振で動作する場合、モード２の振動振幅および位相は、劇的に変化しない。結果として生じるモータ性能（すなわち、速度および押動力）は、より安定し、製造上の公差および環境変化に反応しない。その結果、準共振駆動システム１００は、モード２からの共振周波数のずれの影響を受けにくい。
【００３５】
図１２Ａ〜図１６Ｃを参照すると、本発明の他の実施形態による、準共振駆動システム２００が図示される。準共振駆動システム２００は、本明細書に説明および図示されるものを除き、準共振駆動システム１００と同一構造および動作を有する。準共振駆動システム１００におけるものと類似する、準共振駆動システム２００における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。
【００３６】
より具体的に図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、アクチュエータシステム２０２は、２次元軌跡を生成し、一例にすぎないが光学レンズ等の可動負荷に摩擦連結し、光学レンズ等の可動負荷を、少なくとも２つの対向する方向のいずれかに駆動するが、アクチュエータシステム２０２は他の種類の軌跡を生成し、他の手法により他の場所で連結され、ならび他の方向に他の種類の負荷を移動させることもあり得る。アクチュエータシステム２０２は、非対称な細長い構造２０３を含むが、アクチュエータシステム２０２は、他の形状および対称性を伴う、他の種類の構造を備えることも可能である。細長い構造２０３は、第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」を有する曲げモードを伴う奥行Ｄと、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」を有する曲げモードを伴う高さＨとを有する。高さＨは、概して、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」が第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」より高くなるように、奥行Ｄを上回る。共振周波数に影響を及ぼす他の要因として、材料剛性、質量、ならびに内部電極の場所および配向が挙げられる。
【００３７】
図１３Ａ〜図１３Ｄを参照すると、細長い構造２０３は、ともに同時焼成される複数の並列圧電層を備えるが、細長い構造２０３は、単一層等の他の種類および数の層、他の種類および数の領域を備えることもでき、他の製造プロセスも使用可能である。細長い構造２０３の圧電層のそれぞれは、約１４マイクロメートル厚であるが、５マイクロメートル〜４０マイクロメートルの厚さ等、層のそれぞれに対して、他の厚さも使用可能である。細長い構造２０３に対して複数の圧電層を使用することによって、細長い構造１０３のために単一圧電層が使用される際に可能となる場合よりも低い印加電圧が使用可能である。
【００３８】
再び、図１２Ａを参照すると、細長い構造２０３は、４つの圧電領域２０６、２０８、２１０、および２１２と、電極２１４（１）および２１４（２）と、電極２１６（１）および２１６（２）と、電極２１８（１）および２１８（２）と、電極２２０（１）および２２０（２）とを含むが、該構造は、他の数および種類の領域ならびにコネクタを伴う、他の数および種類の構造を備えることも可能である。一例にすぎないが、代替実施形態では、２つの圧電領域２０６および２１２のうちの１つと、圧電領域２０８および２１０のうちの１つは、駆動振幅を低減させるがそれ以外はアクチュエータシステムの動作を変更しない不活性領域とすることが可能であるが、活性領域と不活性領域の他の組み合わせも使用可能である。
【００３９】
圧電領域２０６、２０８、２１０、および２１２は、製造の際、特定の正および負の電極を有するように分極されるが、圧電領域は、他の手法でも形成可能である。より具体的には、圧電領域２０６、２０８、２１０、および２１２は、製造の際、「Ｌ」型電極が、以下の極性を有するように分極される。圧電領域２０６に対して、電極２１４（１）が負（Ａ-）であって、電極２１４（２）が正（Ａ＋）であって、圧電領域２１２に対して、電極２１６（１）が正（Ｂ＋）であって、電極２１６（２）が負（Ｂ-）であって、圧電領域２０８に対して、電極２１８（１）が負（Ｃ-）であって、電極２１８（２）が正（Ｃ＋）であって、圧電領域２１０に対して、電極２２０（１）が正（Ｄ＋）であって、電極２２０（２）が負（Ｄ-）である。細長い構造２０３では、圧電領域２０６および２１２は、図示されるように、相互に隣接して、外側圧電領域２０８と２１０との間に配置されるが、該構造は、他の構成において、他の数の圧電領域を有することも可能である。
【００４０】
図１２Ａ、１２Ｂ、および１３Ａを参照すると、電極２１４（１）は、圧電領域２０６に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極２１４（２）は、領域２０６に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１３Ｂを参照すると、電極２１６（１）は、圧電領域２１２に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極２１６（２）は、圧電領域２１２に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１３Ｃを参照すると、電極２１８（１）は、圧電領域２０８に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極２１８（２）は、圧電領域２０８に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１３Ｄを参照すると、電極２２０（１）は、圧電領域２１０に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極２２０（２）は、圧電領域２２０に対する圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。
【００４１】
再び、図１２Ａを参照すると、振動システム２０４は、それぞれ、電圧源Ｖｄｄに連結され、一例として図１４に図示される超音波方形波振動信号を提供する４つの出力２２４（１）〜２２４（４）を有する一対のフルブリッジ駆動回路２２２（１）および２２２（２）を備えるが、一例として正弦波形状信号等の他の種類の信号を提供する他の数の出力を伴う、一例にすぎないがハーフブリッジ回路システム等の他の種類および数の駆動回路およびシステムも使用可能である。フルブリッジ駆動回路２２２（１）からの出力２２４（１）は、電極２１４（１）および２１６（１）に連結され、フルブリッジ駆動回路２２２（１）からの出力２２４（２）は、電極２１４（２）および２１６（２）に連結され、フルブリッジ駆動回路２２２（２）からの出力２２４（３）は、電極２１８（１）および２２０（１）に連結され、フルブリッジ駆動回路２２２（２）からの出力２２４（４）は、電極２１８（２）および２２０（２）に連結されるが、他の種類および数の接続も使用され得る。フルブリッジ駆動回路２２２（１）および２２２（２）を伴う、振動システム２０４の利点の１つは、圧電領域２０６、２０８、２１０、および２１２のそれぞれの対向する電極および負電極にわたる実効電圧差が、供給電圧Ｖｄｄの２倍であって、同一供給電圧Ｖｄｄを伴うハーフブリッジ回路と比較して、機械的出力を効果的に２倍にし、空間を節約することであるが、他の種類のシステムも使用され得る。フルブリッジ回路の構成要素および動作は、当業者に周知であるため、本明細書では、詳細に説明されない。
【００４２】
次に、図６〜図１６Ｃを参照して、準共振駆動システム２００の動作について説明する。細長い構造２０３は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、２つの曲げモード、モード１およびモード２を有する。これらの曲げモードのいずれの振幅も、印加される信号の振動周波数に依存する。振動システム２０４が、モード１の周波数「ｆｒｅｓ１」等の曲げモードの一方に対する共振周波数において、構造２０３の両曲げモードに振動信号を印加すると、振動振幅は、その共振周波数で動作する曲げモードに対して完全に増幅され、部分的に共振動作する他方の曲げモードに対して部分的にのみ増幅される。振動システム２０４が、モード２の周波数等の曲げモードの他方に対する共振周波数「ｆｒｅｓ２」において、構造２０３の両曲げモードに信号を印加すると、振動振幅は、その共振周波数で動作する曲げモードに対して完全に増幅され、部分的に共振動作する他方の曲げモードに対して部分的にのみ増幅される。
【００４３】
一例にすぎないが、フルブリッジ駆動回路２２２（１）および２２２（２）の出力２２４（１）〜２２４（４）からの４つの振動信号が、図１４に図示される。本実施例では、Ｖｄｄは、２．８ボルトである。本実施例では、Ｖｄｄは、２．８ボルトである。本実施例では、４つの振動信号は、出力２２４（１）〜２２４（４）から提供され、それぞれ、構造２０３の２つの曲げモードのうちの１つの共振周波数と実質的に同一の振動周波数を有する。さらに、出力２２４（１）〜２２４（２）からの振動信号は、２方向のうちの１つに可動部材を移動させるために、振動システム２０４によって、出力２２４（３）〜２２４（４）からの振動信号に対して、約０度と９０度との間で位相シフトされるが、位相シフトの他の範囲も使用可能である。さらに、振動システム２０４は、出力２２４（１）-２２４（２）と出力２２４（３）-２２４（４）との間において、可動部材を反対方向に移動させるために、約-１８０度と-９０度との間に位相シフトの方向を調節するが、位相シフトの他の範囲も使用可能である。
【００４４】
図１４および図１５Ａ〜図１５Ｃを参照すると、反対の極性の圧電領域２０６および２２２への異なる段階時の出力２２４（１）〜２２４（２）からの振動信号の印加から生じる、曲げモードのうちの１つにおける構造２０３の運動が、図示される。図１５（Ａ）は、構造２０３の静止（全電極への電圧がゼロ）時である。出力２２４（１）と２２４（２）との間の電圧差が正である時、図１４の段階２４２に示されるように、領域２０６は、長さが増加し、領域２１２は、長さが減少し、図１５（ｂ）に示されるように、構造２０３を屈曲させる。出力２２４（１）と２２４（２）との間の電圧差が負である時、図１４の段階２４０または２４４に示されるように、領域２０６は、長さが減少し、領域２１２は、長さが増加し、図１５（ｃ）に示されるように、構造２０３を屈曲させる。出力２２４（１）からの振動信号は、電極２１４（１）（Ａ-）および２１６（１）（Ｂ＋）に印加され、出力２２４（２）からの振動信号は、電極２１４（２）（Ａ＋）および２１６（２）（Ｂ-）に印加される。
【００４５】
図１４および図１６Ａ〜図１６Ｃを参照すると、反対の極性圧電領域２０８および２１０への異なる段階時の出力２２４（３）〜２２４（４）からの振動信号の印加から生じる、曲げモードの他方における構造２０３の運動が、図示される。図１６（Ａ）は、構造２０３の静止（全電極への電圧がゼロ）時である。出力２２４（３）と２２４（４）との間の電圧差が正である時、図１４の段階２４６または２５０に示されるように、領域２０８は、長さが増加し、領域２１０は、長さが減少し、図１６（ｃ）に示されるように、構造２０３を屈曲させる。出力２２４（３）と２２４（４）との間の電圧差が負である時、図１４の段階２４８に示されるように、領域２０８は、長さが減少し、領域２１０は、長さが増加し、図１６（ｂ）に示されるように、構造２０３を屈曲させる。出力２２４（３）からの振動信号は、電極２１８（１）（Ｃ-）および２２０（１）（Ｄ＋）に印加され、出力２２４（４）からの振動信号は、電極２１８（２）（Ｃ＋）および２２０（２）（Ｄ-）に印加される。
【００４６】
故に、上述のように、図１４に図示されるようなフルブリッジ駆動回路２２２（１）および２２２（２）の出力２２４（１）〜２２４（４）からのアクチュエータシステム２０２への振動信号の印加は、アクチュエータシステム２０２に対して、楕円軌道の形状の２次元軌跡をもたらすが、アクチュエータシステム２０２は、他の直線的または成形軌跡が意図されることも可能である。上述のように、振動システム２０４は、アクチュエータシステム２０２が位相シフトの値に基づいて本楕円軌道経路において転動する方向を制御する。構造２０３の本曲げモードにおける準共振から生じる本楕円軌道のより狭小な部分は、アクチュエータシステム２０２が極めてより小さくより精密なステップで可動要素を駆動させることを可能とする。
【００４７】
アクチュエータシステム２０２のための本楕円軌道経路は、アクチュエータシステム１０２について図６に図示され、かつ２つの波節点１２８（１）および１２８（２）と、３つの波腹点、すなわち中央波腹点１３０および終端波腹点１３２（１）および１３２（２）とを有するものと同様である。本実施例では、同様に、構造２０３の中央波腹点１３０を、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するために使用するが、終端波腹点１３２（１）および１３２（２）等の他の点も使用され得る。さらに、図８Ａ〜図１１Ｂを参照して説明される、準共振駆動システム１００を使用する、直線的および円形の運動システムの実施形態は、準共振駆動システム２００と同一であるため、ここでは再び説明されない。
【００４８】
図１７Ａ〜図２１Ｂを参照すると、本発明の他の実施形態による、準共振駆動システム３００が図示される。準共振駆動システム３００は、本明細書に説明および図示されるものを除き、準共振駆動システム１００と同一の構造および動作である。準共振駆動システム１００のものに類似する、準共振駆動システム３００における要素は、同様の参照番号を有し、ここでは再度説明されない。
【００４９】
より具体的に図１７Ａおよび図１７Ｂを参照すると、アクチュエータシステム３０２は、２次元軌跡を生成し、一例にすぎないが光学レンズ等の可動負荷に摩擦連結し、光学レンズ等の可動負荷を少なくとも２つの対向する方向のいずれかに駆動するが、アクチュエータシステム３０２は、他の種類の軌跡を生成し、他の手法でおよび他の場所で連結され、ならびに他の方向に他の種類の負荷を移動させることも可能である。一例にすぎないが、アクチュエータシステム３０２は、図２０Ａ〜２０Ｂに図示される楕円軌跡と、図２１Ａ〜２１Ｂに図示される直線的軌跡を生成可能である。アクチュエータシステム３０２は、非対称の細長い構造３０３を含むが、アクチュエータシステム３０２は、他の形状および対称性を伴う、他の種類の構造を備えることも可能である。細長い構造３０３は、第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」を有する曲げモードを伴う奥行Ｄと、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」を有する曲げモードを伴う高さＨとを有する。高さＨは、概して、第２の共振周波数「ｆｒｅｓ２」が第１の共振周波数「ｆｒｅｓ１」より高くなるように、奥行Ｄを上回る。共振周波数に影響を及ぼす他の要因として、材料剛性、質量、ならびに内部電極の場所および配向が挙げられる。
【００５０】
図１８Ａ〜図１８Ｄを参照すると、細長い構造３０３は、電極を伴わない不活性層３３２とともに同時焼成される複数の並列圧電層を備えるが、細長い構造３０３は、他の種類および数の層、他の種類および数の領域を備えることもでき、他の製造プロセスも使用可能である。細長い構造３０３の圧電層のそれぞれは、約１４マイクロメートル厚であるが、５マイクロメートル〜４０マイクロメートルの厚さ等、層のそれぞれに対して、他の厚さも使用可能である。細長い構造３０３に対して複数の圧電層を使用することによって、単一圧電層が使用される際に可能となる場合よりも低い印加電圧が使用可能である。
【００５１】
再び、図１７Ａを参照すると、細長い構造１０３は、２つの圧電領域３０６および３１２と、不活性層３３２と、電極３１４（１）および３１４（２）と、電極３１６（１）および３１６（２）とを含むが、該構造は、他の数および種類の領域ならびにコネクタを伴う、他の数および種類の構造を備えることも可能である。
【００５２】
圧電領域３０６および３１２は、製造の際、極性を有しかつ特定の正および負の「Ｌ」型電極を有するように分極されるが、圧電領域は、他の手法でも形成可能である。より具体的には、製造の際、圧電領域３０６は、電極３１４（１）が負（Ａ-）を、電極３１４（２）が正（Ａ＋）を有するように分極される。さらに、圧電領域３１２は、電極３１６（１）が正（Ｂ＋）を、電極３１６（２）が負（Ｂ-）を有するように分極される。細長い構造１０３では、圧電領域３０６および３１２は、相互に隣接して配置され、両方とも、隣接する不活性層３３２であるが、該構造は、他の構成を有することも可能である。
【００５３】
図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１８Ａを参照すると、電極３１４（１）は、圧電領域３０６に対する圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極３１４（２）は、圧電領域３０６のための圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も可能である。図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１８Ｂを参照すると、電極３１６（１）は、圧電領域３１２のための圧電層のそれぞれの内部電極の１つに接続されるように連結および交互配置され、電極３１６（２）は、圧電領域３１２のための圧電層のそれぞれの対向する内部電極に接続されるように交互配置されるが、他の場所における他の種類および数の接続も使用可能である。
【００５４】
再び、図１７Ａを参照すると、振動システム３０４は、フルブリッジ駆動回路３２２と、一対のスイッチ３３０（１）および３３０（２）とを備えるが、振動システム３０４は、他の数および種類のシステム、デバイス、および構成要素を備えることもあり得る。フルブリッジ駆動回路３２２は、電圧源Ｖｄｄに連結され、スイッチ３３０（１）に連結される出力３２４（１）と、スイッチ３３０（２）に連結される出力３２４（２）とを有する。スイッチ３３０（１）および３３０（２）の移動は、同様に、構造における２つの直交モード振動の位相シフトも制御する、制御システム３３１によって制御されるが、他の種類の制御システムも使用され得る。フルブリッジ駆動回路３２２は、一例として図１９に図示される超音波方形波振動信号を提供するが、一例として正弦波形状信号等の他の種類の信号を提供する他の数の出力を伴う、一例にすぎないがハーフブリッジ回路システム等の他の種類および数の駆動回路およびシステムも使用可能である。本実施例では、Ｖｄｄは、２．８ボルトである。フルブリッジ駆動回路３２２からの出力３２４（１）は、スイッチ３３０（１）の位置に応じて、電極３１４（１）または電極３１６（１）のいずれかに連結され、フルブリッジ駆動回路３２２からの出力３２４（２）は、スイッチ３３０（１）の位置に応じて、電極３１４（２）または電極３１６（２）のいずれかに連結されるが、他の種類および数の接続も使用され得る。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１４（１）につなぐと、スイッチ３３０（２）は、出力３２４（２）の振動信号を電極３１４（２）につなぐ。さらに、スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１６（１）につなぐと、スイッチ３３０（２）は、出力３２４（２）の振動信号を電極３１６（２）につなぐが、他の切替パターンも使用可能である。フルブリッジ回路の構成要素および動作は、当業者に周知であるため、本明細書では、詳細に説明されない。スイッチ３３０（１）および３３０（２）は、２つの接続状態のみ使用されるようにリンクされ（すなわち、双投二重位置スイッチにまとめられる）、一方の状態では、出力３２４（１）は、電極３１４（１）に接続され、出力３２４（２）は、電極３１４（２）に接続され、他方の状態では、出力３２４（１）は、電極３１６（１）に接続され、出力３２４（２）は、電極３１６（２）に接続される。これらの２つの状態の目的は、２つの直交振動の位相および可動部材の方向を変化させることである。
【００５５】
次に、図１７Ａ〜図２１Ｂを参照して、準共振駆動システム３００の動作について説明する。細長い構造３０３は、異なる共振周波数をそれぞれ有する、２つの曲げモード、モード１およびモード２も有する。これらの曲げモードのいずれの振動振幅も、印加される信号の振動周波数に依存する。本実施形態では、振動システム３０４が、準共振にある、構造３０３の曲げモードのための振動周波数である、振動信号を印加するが、他の周波数も使用可能である。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１４（１）に印加し、スイッチ３３０（２）が、出力３２４（２）の振動信号を電極３１４（２）に印加し、電極３１６（１）および３１６（２）に信号が印加されないと、該構造は、図２０Ａに図示されるように、楕円軌跡で駆動される。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１６（１）に印加し、スイッチ３３０（２）が、出力３２４（２）の振動信号を電極３１６（２）に印加し、電極３１４（１）および３１４（２）に信号が印加されないと、該構造は、図２０Ｂに図示されるように、別の楕円軌跡で駆動される。本実施形態では、１つの圧電領域のみ励起され、構造３０３を両曲げモード１およびモード２で同時に屈曲させる。モード１とモード２との間の位相シフトは、構造３０３の物理的特性によって、実質的に固定される。位相シフトを変化させ、したがって、方向を変化させるために、異なる圧電領域が駆動されなければならず、これは、スイッチ３３０（１）および３３０（２）によって遂行される。
【００５６】
代替実施形態では、曲げモードのそれぞれにおける共振周波数が実質的に同一であるように、構造３０３を、実質的に対称形状を有すると仮定する。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１４（１）に印加し、スイッチ３３０（２）が、出力３２４（２）の振動信号を電極３１４（２）に印加し、電極３１６（１）および３１６（２）に信号が印加されないと、該構造は、図２１Ａに図示されるように、直線的軌跡で駆動される。スイッチ３３０（１）が、出力３２４（１）の振動信号を電極３１６（１）に印加し、スイッチ３３０（２）が、出力３２４（２）の振動信号を電極３１６（２）に印加し、電極３１４（１）および３１４（２）に信号が印加されないと、該構造は、図２１Ｂに図示されるように、別の直線的軌跡で駆動される。本実施形態では、１つの圧電領域のみ励起され、構造３０３を両曲げモード１およびモード２に同時に屈曲させる。モード１とモード２との間の位相シフトは、構造３０３の物理的特性によって、実質的に固定される。位相シフトを変化させ、したがって、方向を変化させるために、異なる圧電領域が駆動されなければならず、これは、スイッチ３３０（１）および３３０（２）によって遂行される。
【００５７】
アクチュエータシステム３０２のための楕円軌道経路は、アクチュエータシステム１０２について図６に図示されかつ２つの波節点１２８（１）および１２８（２）と、３つの波腹点：中央波腹点１３０および終端波腹点１３２（１）および１３２（２）とを有するものと同様である。本実施例では、同様に、構造３０３の中央波腹点１３０を、可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するために使用するが、終端波腹点１３２（１）および１３２（２）等の他の点も使用され得る。さらに、図８Ａ〜図１１Ｂを参照して説明される、準共振駆動システム１００を使用する、直線的および円形の運動システムの実施形態は、準共振駆動システム３００と同一であるため、再度説明されない。
【００５８】
図２２Ａおよび図２２Ｂを参照すると、焦点レンズ４１０を制御および駆動させるためのオートフォーカスシステム４００が使用される。オートフォーカスシステム４００は、本明細書に図示および説明される、アクチュエータシステム１０２ならびに振動システム１０４を伴う、準共振駆動システム１００と、接触および摩擦パッド４０２と、対向するパッド４０７および４０８と、溝４０９と、焦点レンズ４１０と、孔４１１と、ワイヤバネ４１５と、ベース４２０と、支持点４２１と、開口切り欠き４２５とを含むが、システム４００は、他の種類および数のシステム、デバイス、構成要素、および他の構成による要素を備えることもあり得る。アクチュエータシステム１０２は、その２つの波節点１２８（１）および１２８（２）（図６参照）が、ベース４２０上の支持点４２１にくるように接合されるが、アクチュエータシステム１０２は、他の手法でも固着可能である。
【００５９】
３つの半球接触／摩擦パッド４０２は、アクチュエータシステム１０２の端部に結合される。接触および摩擦パッドと整合する２つの対向するパッド４０７および４０８は、焦点レンズ４１０に取り着けられる。パッド４０７および４０８は、アクチュエータシステム１０２が、振動システム１０４によって起動されると、レンズ４１０に直線ガイドを提供する。パッド４０８は、２つの接触／摩擦パッド４０２と対向する「Ｖ」溝４０９を有し、パッド４０７は、１つの接触および摩擦パッド４０２と対向する平坦表面を有する。接触パッド４０２ならびに対向するパッド４０７および４０８は、一例にすぎないが、ジルコニアまたはアルミナ等のセラミック材料から作製されてもよい。さらに、パッド４０２、４０７、４０８の形状およびサイズは、小半球として示されるが、パッド４０２、４０７、４０８が、任意のサイズまたは形状であってもよいことが理解されるであろう。
【００６０】
焦点レンズ４１０は、焦点レンズ４１０上の小孔４１１において、ワイヤバネ４１５によって、ｘ方向に予荷重されるが、焦点レンズは、他の手法でも荷重可能である。ワイヤバネ４１５は、ベース４２０上の開口切り欠き４２５（切り欠き図として示される）に固定される。ワイヤバネ４１５は、直線ガイド（レンズ進行範囲制限のため）としての役割を果たすとともに、レンズ４１０が移動するときに、ｘ方向に比較的一定な予荷重力をレンズ４１０に提供する。レンズ４１０が中立位置から離れるように移動すると、レンズ４１０は、ｙ軸にごくわずかな復元力を有する。
【００６１】
図２３Ａおよび図２３Ｂを参照すると、本発明の他の実施形態による、オートフォーカスシステム５００が、図示される。オートフォーカスシステム５００は、本明細書に図示および説明される、アクチュエータシステム２０２ならびに振動システム２０４を伴う、準共振駆動システム２００と、接触および摩擦パッド５０２と、溝５０３と、金属シム５０５と、板バネ５０６と、レンズ本体５１０と、二重屈曲部５１５と、脚部５１６と、ベース５２０と、支柱５２１と、上表面５２２、切り欠き５２３と、支点５３０とを含むが、システム５００は、他の種類および数のシステム、デバイス、構成要素、および他の構成の要素を備えることもあり得る。オートフォーカスシステム５００の側壁は、明確にするために、図２３Ａおよび図２３Ｂには示されない。
【００６２】
アクチュエータシステム２０２は、板バネ５０６によって、波節点１２８（１）および１２８（２）（図６参照）で接合されるが、アクチュエータシステム２０２は、他の手法でも固着可能である。板バネ５０６は、予切断され、「Ｌ」型のより大きな金属シム５０５から半解放されるが、板バネは、他の手法で形成され、他の形状および構成を有することも可能である。２つの支点５３０は、シム５０５と板バネ５０６をともに接続するが、他の種類および数の接続点も使用可能である。シム５０５および板バネ５０６は、例えば、化学フォトエッチング、ワイヤＥＤＭ、またはマイクロマシニング技術を使用して、ともに形成可能である。また、板バネ５０６は、アクチュエータシステム２０２をｘ軸に予荷重するように、アクチュエータシステム２０２に向かって予屈曲される。支点５３０は、幾分可撓性であって、したがって、オートフォーカスシステム５００の組み立ての際、アクチュエータシステム２０２をそれ自身レンズ５１０と整列させる。
【００６３】
接触および摩擦パッド５０２は、アクチュエータシステム２０２の中央で接合され、レンズ本体５１０の側面の直線溝５０３に沿って移動可能であるが、摩擦パッドは、他の手法でも固着可能である。接触および摩擦パッド５０２は、アクチュエータシステム２０２が振動システム２０４によって起動されると、レンズ５１０を駆動し、移動させる。
【００６４】
レンズ本体５１０は、４つの薄い脚部５１６Ａおよび５１６Ｂを有する、金属シムから作製される、二重屈曲部５１５に接合される。本システムのベース５２０は、２つの支柱５２１Ａおよび５２１Ｂを有する。支柱５２１Ａおよび５２１Ｂの下側にあるのは、切り出した切り欠き５２３であって、下側脚部５１６Ｂが定位置に挿入および接合される。上側脚部５１６Ａは、支柱５２１Ａおよび５２１Ｂの上表面５２２に接合される。
【００６５】
板バネ５０６を通してアクチュエータシステム２０２を保持する、金属シム５０５は、「Ｌ」形状の角で支柱５２１Ｂに接合される。板バネ５０６は、レンズ５１０が移動するときに、ｘ軸に必要とされる一定の予荷重力を提供する一方、二重屈曲部５１５は、レンズ進行範囲の制限のための直線ガイドとしての役割を果たす。レンズ５１０が、中立位置から離れるように移動するときに、二重屈曲部５１５は、ｙ軸にごくわずかな復元力を有する。
【００６６】
上に述べたように、本発明の基本概念を説明したが、上述の詳細な開示は、一例としてのみ提示することを意図し、限定として意図されるものではないことは、当業者には明白であろう。本明細書に明示的に記載されないが、種々の変更、改良、および修正が、当業者には想起および意図されるであろう。これらの変更、改良、および修正は、本明細書によって示唆されることが意図され、これらは本発明の精神および範囲内である。さらに、列挙される処理要素またはシーケンスの順番、あるいはそのための数字、文字、または他の記号表示の使用は、したがって、特許請求の範囲に指定され得る場合を除き、請求されるプロセスをいかなる順番にも限定されることを意図するものではない。故に、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価物によってのみ限定される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するための少なくとも１つの点を有し、異なる共振周波数をそれぞれ有する少なくとも２つの曲げモードを有する構造と、
前記構造の前記曲げモードのそれぞれに対する、前記共振周波数のうちの１つと実質的に同一である振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加する振動システムと
を備える、駆動システムであって、
前記振動周波数において、前記構造の前記曲げモードの一方が、実質的に共振振動し、前記構造の前記曲げモードの他方が、部分的に共振振動し、前記振動システムが、前記２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、前記少なくとも２つの方向のいずれに前記可動要素が移動されるかを制御する、前記駆動システム。
【請求項２】
前記構造が、非対称である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの点が、実質的に前記構造の波腹点である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号のうちの少なくとも１つを印加した際に、前記構造における前記２つの曲げモードのうちの少なくとも１つを生成する、少なくとも２つの圧電領域
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号を印加した際に、前記構造において前記少なくとも２つの曲げモードを生成する、少なくとも４つの圧電領域
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記圧電領域のうちの少なくとも２つが、前記圧電領域の少なくとも他の２つの間に配置される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記構造が、
２つ以上の圧電層と、
各電極対が１つ以上の前記圧電層の対向する側面に連結される、電極の２つ以上の対と
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
部分的な共振で振動している前記曲げモードの他方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
共振振動している前記曲げモードの一方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するための少なくとも１つの点を有し、異なる共振周波数をそれぞれ有する少なくとも２つの曲げモードを有する構造を提供する工程と、
前記構造の前記曲げモードのそれぞれに対する、前記共振周波数のうちの１つと実質的に同一である振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加する振動システムを連結する工程と
を含む、駆動システムを作製するための方法であって、
前記振動周波数において、前記構造の前記曲げモードの一方が、実質的に共振振動し、前記構造の前記曲げモードの他方が、部分的に共振振動し、前記振動システムが、前記２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、前記少なくとも２つの方向のいずれに前記可動要素が移動されるかを制御する、前記方法。
【請求項１１】
前記構造が、非対称である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの点が、実質的に前記構造の波腹点である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号のうちの少なくとも１つを印加した際に、前記構造における前記２つの曲げモードのうちの少なくとも１つを生成する、少なくとも２つの圧電領域
を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号を印加した際に、前記構造において前記少なくとも２つのモードを生成する、少なくとも４つの圧電領域
を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記圧電領域のうちの少なくとも２つが、前記圧電領域の少なくとも他の２つの間に配置される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記構造を提供する工程が、
２つ以上の圧電層を提供することと、
電極の２つ以上の対のそれぞれを、１つ以上の前記圧電層の対向する側面に連結することと
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
部分的な共振で振動している前記曲げモードの他方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
共振振動している、前記曲げモードの前記一方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの光学構成要素と、
１つ以上の方向に前記少なくとも１つの光学構成要素を移動させるように摩擦連結された、ある構造および振動システムを備える少なくとも１つの駆動システムであって、前記構造が、少なくとも２つの曲げモードを有し、前記曲げモードのそれぞれが、異なる共振周波数を有し、前記振動システムが、前記構造の前記曲げモードのそれぞれに対する振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加し、前記振動周波数が、前記共振周波数のうちの１つと実質的に同一であり、前記振動周波数において、前記構造の前記曲げモードの一方が、実質的に共振振動し、前記構造の前記曲げモードの他方が、部分的に共振振動し、前記振動システムが、前記２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、前記少なくとも２つの方向のいずれに前記光学要素が移動されるかを制御する、駆動システムと
を備える、光学システム。
【請求項２０】
前記構造が、非対称である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの点が、実質的に前記構造の波腹点である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号のうちの少なくとも１つを印加した際に、前記構造における前記２つの曲げモードのうちの少なくとも１つを生成する、少なくとも２つの圧電領域
を備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号を印加した際に、前記構造において前記少なくとも２つの曲げモードを生成する、少なくとも４つの圧電領域
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記圧電領域のうちの少なくとも２つが、前記圧電領域の少なくとも他の２つの間に配置される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記構造が、
２つ以上の圧電層と、
各電極対が１つ以上の前記圧電層の対向する側面に連結される、電極の２つ以上の対と
を備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２６】
部分的な共振で振動している前記曲げモードのうちの他方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２７】
共振振動している前記曲げモードの前記一方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１９に記載のシステム。
【請求項１】
可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するための少なくとも１つの点を有し、異なる共振周波数をそれぞれ有する少なくとも２つの曲げモードを有する構造と、
前記構造の前記曲げモードのそれぞれに対する、前記共振周波数のうちの１つと実質的に同一である振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加する振動システムと
を備える、駆動システムであって、
前記振動周波数において、前記構造の前記曲げモードの一方が、実質的に共振振動し、前記構造の前記曲げモードの他方が、部分的に共振振動し、前記振動システムが、前記２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、前記少なくとも２つの方向のいずれに前記可動要素が移動されるかを制御する、前記駆動システム。
【請求項２】
前記構造が、非対称である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの点が、実質的に前記構造の波腹点である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号のうちの少なくとも１つを印加した際に、前記構造における前記２つの曲げモードのうちの少なくとも１つを生成する、少なくとも２つの圧電領域
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号を印加した際に、前記構造において前記少なくとも２つの曲げモードを生成する、少なくとも４つの圧電領域
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記圧電領域のうちの少なくとも２つが、前記圧電領域の少なくとも他の２つの間に配置される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記構造が、
２つ以上の圧電層と、
各電極対が１つ以上の前記圧電層の対向する側面に連結される、電極の２つ以上の対と
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
部分的な共振で振動している前記曲げモードの他方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
共振振動している前記曲げモードの一方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
可動要素に摩擦連結しかつ可動要素を少なくとも２つの方向のうちの１つに駆動するための少なくとも１つの点を有し、異なる共振周波数をそれぞれ有する少なくとも２つの曲げモードを有する構造を提供する工程と、
前記構造の前記曲げモードのそれぞれに対する、前記共振周波数のうちの１つと実質的に同一である振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加する振動システムを連結する工程と
を含む、駆動システムを作製するための方法であって、
前記振動周波数において、前記構造の前記曲げモードの一方が、実質的に共振振動し、前記構造の前記曲げモードの他方が、部分的に共振振動し、前記振動システムが、前記２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、前記少なくとも２つの方向のいずれに前記可動要素が移動されるかを制御する、前記方法。
【請求項１１】
前記構造が、非対称である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの点が、実質的に前記構造の波腹点である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号のうちの少なくとも１つを印加した際に、前記構造における前記２つの曲げモードのうちの少なくとも１つを生成する、少なくとも２つの圧電領域
を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号を印加した際に、前記構造において前記少なくとも２つのモードを生成する、少なくとも４つの圧電領域
を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記圧電領域のうちの少なくとも２つが、前記圧電領域の少なくとも他の２つの間に配置される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記構造を提供する工程が、
２つ以上の圧電層を提供することと、
電極の２つ以上の対のそれぞれを、１つ以上の前記圧電層の対向する側面に連結することと
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
部分的な共振で振動している前記曲げモードの他方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
共振振動している、前記曲げモードの前記一方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの光学構成要素と、
１つ以上の方向に前記少なくとも１つの光学構成要素を移動させるように摩擦連結された、ある構造および振動システムを備える少なくとも１つの駆動システムであって、前記構造が、少なくとも２つの曲げモードを有し、前記曲げモードのそれぞれが、異なる共振周波数を有し、前記振動システムが、前記構造の前記曲げモードのそれぞれに対する振動周波数の、２つ以上の振動信号を印加し、前記振動周波数が、前記共振周波数のうちの１つと実質的に同一であり、前記振動周波数において、前記構造の前記曲げモードの一方が、実質的に共振振動し、前記構造の前記曲げモードの他方が、部分的に共振振動し、前記振動システムが、前記２つ以上の印加される振動信号間の位相シフトを調節して、前記少なくとも２つの方向のいずれに前記光学要素が移動されるかを制御する、駆動システムと
を備える、光学システム。
【請求項２０】
前記構造が、非対称である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの点が、実質的に前記構造の波腹点である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号のうちの少なくとも１つを印加した際に、前記構造における前記２つの曲げモードのうちの少なくとも１つを生成する、少なくとも２つの圧電領域
を備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記構造が、
特定の極性を確立するように分極され、かつ前記構造において対称的に設置されて、前記振動システムが前記２つ以上の振動信号を印加した際に、前記構造において前記少なくとも２つの曲げモードを生成する、少なくとも４つの圧電領域
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記圧電領域のうちの少なくとも２つが、前記圧電領域の少なくとも他の２つの間に配置される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記構造が、
２つ以上の圧電層と、
各電極対が１つ以上の前記圧電層の対向する側面に連結される、電極の２つ以上の対と
を備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２６】
部分的な共振で振動している前記曲げモードのうちの他方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２７】
共振振動している前記曲げモードの前記一方が、前記構造が前記可動要素を駆動することができる前記少なくとも２つの方向のそれぞれと実質的に平行な方向に屈曲している、請求項１９に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公表番号】特表２０１２−５００５０３（Ｐ２０１２−５００５０３Ａ）
【公表日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２３９２９（Ｐ２０１１−５２３９２９）
【出願日】平成２１年８月１８日（２００９．８．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５４１５７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０２２０４６
【国際公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（５０７４０８９１４）ニュー スケール テクノロジーズ インコーポレーティッド (6)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１８日（２００９．８．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５４１５７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０２２０４６
【国際公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（５０７４０８９１４）ニュー スケール テクノロジーズ インコーポレーティッド (6)
【Ｆターム（参考）】
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