CN1288831C

CN1288831C - 行动致动器和用于驱动该致动器的方法

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Publication number: CN1288831C
Application number: CNB018140238A
Authority: CN
Inventors: S·约瀚逊; M·贝泽尔; P·O·里特尔
Original assignee: Piezomotor Uppsala AB
Current assignee: Piezomotor Uppsala AB
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: CN1446394A; KR20030069163A; EP1310038A1; AU2001278833A1; EP2053669A1; EP2053669B1; JP5102929B2; WO2002015379A1; SE0002885D0; EP1310038B1; JP2011188739A; JP2004506526A; ATE418795T1; KR100895914B1; DE60137135D1

Abstract

本发明披露了一种机电致动器结构(10)和用于驱动该装置的方法，该装置具有多个驱动元件(14a-d)，它们按照一个相对于一个本体(22)运动的行动机构被驱动。该驱动元件(14a-d)的驱动部分(28a-d)可以切向地以及法向地向着该本体(22)的表面独立地运动。按照4个周期顺序驱动该驱动元件：抓持该本体，移动该本体，释放该本体，以及把第一组的该驱动元件返回到原始位置。驱动元件(14a-d)被分成两个独立的组。该组的驱动被相移。在每个瞬时，该组中的至少一组和该本体(22)的表面接触；本发明的特征在于：在抓持顺序期间驱动元件(14a-d)的驱动用这种方式进行，使得驱动元件(14a-d)具有一个具有有意义的切向分量的速度。

Description

行动致动器和用于驱动该致动器的方法

技术领域

本发明涉及具有非动态的或者伪静态的驱动机构的机电致动器和这种致动器的控制与驱动。

背景技术

数十年来，小马达市场不断地扩大，尤其感兴趣的是可以用低成本制造的高性能的微型马达。力和精度一般是性能的主要问题。普通的马达在某些应用中已经达到了极限，因而正在研制其它的马达。本发明和需要高性能的微型马达有关。

机电马达，例如包括压电马达，是越来越广泛使用的一种微型马达。压电致动器在当今是熟知的，并得到了广泛的应用。压电致动器的一般特征在于高的动量而小的行程。通过以高的频率重复运动，可以达到宏观的行程。具有若干种本质上不同的在机电致动器中使用的操作机构。通过利用一些马达元件的惯性和/或时间相关的物理效应，可以实现各种机电马达。这类驱动机构可以称为动态驱动机构。一般地说，具有动态驱动机构的马达只能在某个频率范围内操作，而不能在低的内部速度或频率下操作。通常遇到的超声波马达和前进波马达便属于这类动态驱动机构。

另一类的驱动机构可以叫做非动态的、静态的或准静态的驱动机构。这些非动态的机构的特征在于，可以在任意低的频率或任意低的主动元件的速度下实现运动。通过致动器元件使被驱动元件运动，该致动器元件一般具有几个运动周期，例如夹持、运动、释放和返回。当一组元件正在释放时，另一组元件将夹持被驱动元件。一般地说，需要在由低到中-高速度下进行控制定位时，非动态机构是有利的。此外，这种机构还能够使得在各种应用中容易实现优化，因而使得能够提供大的力。其主要的缺点在于，为了实现所需机构，对结构具有很高的要求。因此，能够简化结构而不损失性能的各种解决办法在商业上引起了广泛的兴趣。

一种用于非动态运动的机构是“尺蠖”机构，该机构在美国专利3902084中被首次披露了。通过以夹紧-延伸-释放方式组成的机械步骤使被驱动元件运动，例如在美国专利5751090中所述。其中必须至少具有两组夹紧元件，它们不同相(phase)地运动。在每个运动即延伸之间，被驱动元件由两组元件夹住并处于静止状态。运动是周期性的，并且最大的分辨率相应于一个步长除以电压分辨率。在一些情况下可以使被驱动元件在一个整步长的部分停止，即一种微步方式。在非运动阶段期间进行夹紧和释放。

在国际专利申请WO 97/36366中披露了一种基于非动态驱动机构的压电马达。该机构是“尺蠖”机构的一种替代物，并且可被称为一种“机械步进机构”。其中马达由机电元件构成，其是一种单块的多层单元，具有至少两组可作二维运动的独立的驱动元件。每组驱动元件的运动的特征在于由夹持、运动、释放和返回构成的4个顺序。电压周期被施加于彼此异相的双压电晶片元件组。在该申请中，优选的电压周期据说是正弦的。这种驱动周期引起驱动元件的接触点的椭圆运动的轨迹。利用两组具有180度相移的元件，使得在一组元件夹持而另一组元件释放时的时刻的元件的切线速度基本上是0。

在专利申请DE 4408618中披露了一种类似的驱动机构。4个驱动元件成对地操作，彼此之间具有相移，从而使可动部件运动。这些元件被驱动，使得实现一种椭圆运动，用于夹持和移动可动部件。其中在一组元件夹持而另一组元件释放时的每一时刻，元件的切线速度基本上是0。

现有技术的非动态驱动的机电马达具有大的优点。不过，仍然存在一些小的缺点。一个问题是在保持准静态控制驱动的同时利用极小的步长实现被控的步进。另一个普遍的问题是，在驱动周期期间切线速度不停地改变，这有时引起例如磨损和振动的问题。此外，用类似的方式，法线运动也将改变，除去产生振动和影响摩擦力之外，这还引起不必要的功率消耗。虽然切线运动被用于有用功，法线运动只需要用于克服表面的不规则性等等，因而不用于功率输出。所披露的“机械步进机构”装置的一个特定问题是，正弦电压周期不利用元件的全部可能的行程，这降低了效率。

在超声马达中，接触表面的磨损是一个不可忽略的问题。提出了对这个问题的若干种解决办法，包括使用聚合物表面和进行润滑。由于驱动元件的更多的被控运动，非谐振马达的磨损较小。不过，考虑高性能的微型马达时，微小的磨损也可能影响性能。

在专利文件US6066911中披露了一种超声驱动装置。在一些利用相移的实施例中，若干个元件被驱动，从而使可动部件运动。如同本领域技术人员熟知的并由频率范围所表示的，这种装置一般被设计为利用动态驱动机构操作，其中利用可动部件的质量的惯性启动要被产生的运动。在这种机构中，在运动周期期间需要具有这样的瞬时，此时根本没有元件和可动部件接触。显然，例如当驱动没有相移的元件(见US 6066911中的图4a)时，或者使用纯线性元件的行程时(见US 6066911中的图8c、8d)，这是唯一能够像到的驱动机构。即使所披露的装置按照非动态机构被驱动，也使用元件末端的椭圆运动，由此使得当一组元件夹持而另一组元件释放的时刻，元件的切线速度必须基本为0(和上述的机械步进装置类似)，见US 6066911中的图4b。

具有许多方法用于制造按照本发明的压电马达，但是利用现有技术的方法，难于同时实现小的尺寸、大的力和低的成本。

发明内容

本发明的一般目的是提供一种改进的机电马达，其具有非动态或者伪静态驱动机构。本发明的另一个目的在于，以最佳方式利用驱动元件的几何运动的可能性。本发明的另一个目的在于，提供一种在恒速和加速或减速时均匀运动的马达。本发明的另一个目的在于，改进机电马达的定位精度，以便实现极小的步长，其可以在具有合适的位置检测器的闭环应用中被容易地使用。还有一个目的是减少功率要求和改善与主动元件的量有关的精度和力。还有一个目的是，提供一种具有改进的几何结构和材料选择以及改进的摩擦性能的机电马达。还有一个目的是改善被驱动的本体的导向以及改善法向力的施加。

上述目的是由按照权利要求所包括的装置和方法实现的。一般地说，本发明根据相对于本体运动的行动机构提供一种用于驱动具有多个驱动元件的机电致动器结构的方法。驱动元件的一个驱动部分可以分别沿着和垂直于该本体的表面，即沿着切向和法向，独立地运动。按照所述方法，该驱动元件以4个周期顺序被驱动：抓持本体，移动本体，释放本体和返回原始位置。驱动元件被分成至少两个专用的组。第二组的驱动相对于第一组的驱动被相移。在每个瞬时，至少一组和本体的表面接触。按照本发明的方法的特征在于，在抓持顺序期间，该第一和第二组驱动元件的驱动以这样的方式进行，使得该驱动元件具有一速度，该速度具有沿主要运动方向有效的分量。换句话说，在抓持期间，驱动部分借助于切向速度分量运动。

具体地，本发明公开了一种用于驱动机电致动器结构的方法，该结构具有多个驱动元件，这些驱动元件按照一行动机理被驱动，以及沿主要运动方向要被移动的本体，所述驱动元件的驱动部分可以沿着以及垂直于所述本体的表面独立地运动，所述方法包括以下步骤：按照4个顺序周期驱动第一驱动元件组的驱动元件：抓持所述本体，移动所述本体，释放所述本体，以及把所述第一驱动元件组的所述驱动元件返回到原始位置；按照4个顺序周期驱动第二驱动元件组的驱动元件：抓持所述本体，移动所述本体，释放所述本体，以及把所述第二驱动元件组的所述驱动元件返回到原始位置，所述第二驱动元件组的所述驱动相对于所述第一驱动元件组的所述驱动被相移，所述第二驱动元件组对于所述第一驱动元件组是独立的，并且在每个瞬时，第一驱动元件组和第二驱动元件组中的至少一组和所述本体的表面接触；其特征在于，在一不可忽略的转换时间间隔期间，所述第一驱动元件组的所述抓持和所述第二驱动元件组的所述释放重叠，使得所述第一驱动元件组和所述第二驱动元件组同时通过所述驱动部分接触所述本体；在一不可忽略的转换时间间隔期间，所述第二驱动元件组的所述抓持和所述第一驱动元件组的所述释放重叠，使得所述第一驱动元件组和所述第二驱动元件组同时通过所述驱动部分接触所述本体；以及在所述抓持期间，所述第一驱动元件组和第二驱动元件组的驱动还包括利用具有沿所述主要运动方向的一有效分量的速度驱动所述驱动元件的所述驱动部分的步骤。

另一方面，本发明公开了一种机电致动器结构，包括：多个驱动元件，这些驱动元件按照一行动机理被驱动；沿主要运动方向要被移动的本体，借以使所述驱动元件的驱动部分可以沿着以及垂直于所述本体的表面独立地运动；驱动装置，用于按照4个顺序周期驱动第一驱动元件组的驱动元件：抓持所述本体，移动所述本体，释放所述本体，以及把第一驱动元件组的所述驱动元件返回到原始位置，并用于按照4个顺序周期驱动第二驱动元件组的驱动元件：抓持所述本体，移动所述本体，释放所述本体，以及把第二驱动元件组的所述驱动元件返回到原始位置，所述第二驱动元件组的驱动相对于所述第一驱动元件组的所述驱动被相移，所述第二驱动元件组对于所述第一驱动元件组是独立的，并且在每个瞬时，所述第一驱动元件组和第二驱动元件组中的至少一组和所述本体的表面接触；其特征在于，在一不可忽略的转换时间间隔期间，所述第一驱动元件组的所述抓持和所述第二驱动元件组的所述释放重叠，使得所述第一驱动元件组和所述第二驱动元件组同时通过所述驱动部分接触所述本体；在一不可忽略的转换时间间隔期间，所述第二驱动元件组的所述抓持和所述第一驱动元件组的所述释放重叠，使得所述第一驱动元件组和所述第二驱动元件组同时通过所述驱动部分接触所述本体；以及所述驱动装置还包括用于在所述抓持期间，利用具有沿所述主要运动方向的一有效分量的速度驱动所述第一驱动元件组和第二驱动元件组的所述驱动部分的装置。

在优选实施例中，驱动元件的驱动分别进行，以实现两组的抓持和释放顺序之间的重叠。该运动，尤其是驱动元件的切向速度分量最好按照一种应用的特定速度表来实现，特别是在抓持、运动和释放顺序期间。一个实施例在运动顺序期间具有纯粹的切向移动。按照本发明的一个实施例，运动周期可以被分成微步，以便能够在任何位置停止运动。优选实施例还能够实现驱动周期的可变步长。

按照本发明的另一个方面，提供了一种能够按照上述方法驱动的机电致动器。此外，优选实施例包括单块本体的主动部分和相连的被动部分。被动部分包括附加的电极层，该任一个电极层和地相连，用于改善导热性。此外，驱动部分由具有高的导热率的材料制成。该元件组相对于该机电致动器结构的中心基本上是对称的。

和现有技术相比，本发明引入了若干个优点。更有效地利用了几何尺寸。能够使得本体的运动平滑。定位的精度被提高了。此外，减少了能量消耗。

附图说明

通过结合附图参看下面的说明，可以最好地理解本发明及其其它的目的和优点，其中：

图1示意地表示可在本发明中使用的单块压电驱动单元；

图2表示图1的驱动单元被如何设置而用于驱动一个本体的；

图3a-d示意地表示按照本发明的一种简单的运动；

图4a表示按照本发明的运动轨迹；

图4b表示按照现有技术的运动轨迹；

图4c表示按照本发明的另一个运动轨迹；

图5表示用于获得按照图4的运动轨迹所需的电极电压；

图6a-e示意地表示按照本发明的具有重叠的夹持和释放顺序的运动；

图7表示适用于本发明的电子驱动装置；

图8表示一个驱动单元的一种优选的安装的实施例；

图9表示驱动单元的另一种安装的顶视图；

图10表示适用于小行程的马达结构；

图11表示另一种适用于小行程的马达结构；

图12表示用于施加法向力的一个实施例；

图13表示用于施加法向力的另一个实施例；以及

图14表示在被动的底座中具有接触电极的压电单元的一个实施例。

具体实施方式

大部分致动器材料可以被表征为机电材料，不过在本说明中我们将应用当施加电压或电流时改变其形状的材料。机电材料的典型的例子包括压电材料、电致伸缩材料和反铁电材料，并且这些材料可以是单晶的与多晶的或者无定形的。目前最感兴趣的材料是具有大的机电应变的多晶多层铁电陶瓷材料，但是随着聚合物和聚合物合成材料的不断发展，这些材料可能具有有竞争力的性能。

机电马达和致动器，尤其是压电马达和致动器，具有多种形式。对这些装置进行分类的一种方法是按照其驱动机构进行划分。这些装置的特征和问题对于每类或者每个子类通常是特殊的。目前，应用于具有特定驱动机构的马达装置的一种解决办法可能和其它的类型无关。在本发明中，考虑具有非动态的或伪静态驱动机构的机电装置。为了较好地理解通常的驱动装置，在附录1中给出了一个关于不同机构的简明报告。非动态机构和伪静态机构的一个共同的特性是，这些机构可以实现被控的准静态行动，因而在下文中涉及“行动机构”。

因而，行动机构的特征在于两个驱动元件组，它们通过这些元件的变形，利用在一个本体和元件之间的直接接触，使该本体按顺序地移动，其中和本体接触的一组元件准静态地操作。

在本发明中，一种机电马达或致动器包括至少两组致动器元件。每组包括至少一个元件。这些元件最好是能够在两个独立的方向上定位其接触点的双压电晶片元件。优选地，这些元件是一个单块本体的一部分，如WO 97/36366所述，不过也可以采用其它的方案。下面首先说明其基本结构，然后简明地说明这种单元的制造方法，最后将详细说明该元件的典型的运动。

图1示出了一种单块多层单元10。单元10包括被动底座12和驱动元件，在这种情况下，该驱动元件是4个驱动元件14a-14d，它们分别由切口20分开。每个驱动元件被分成两个单独可控的相段13a-13h。若干个相电极层19和地电极层18被包括在驱动元件14a-14d内，电极16a-h在驱动元件14的主动区域内和相电极层19接触。每个相电极16a-h相应于一个相段(13a-h)。在后侧对于地电极层18具有类似的连接(未示出)。通过对选择的电极16施加合适的电压，将在驱动元件内施加电场，并引起在相电极层19和地电极层18之间的材料的伸展或收缩。这将引起驱动元件14的弯曲与/或伸展/收缩。下面详细说明该驱动元件的运动如何转换成和单元10接触的物体的运动。

该单元可以利用现有技术的方法制造，例如利用压电陶瓷软膏的湿成形，结合丝网印刷电极膏，不过也可以使用其它的制造技术。简要地说，该制造方法可以表述为：在一个玻璃板上，例如利用刮刀造型成由压电陶瓷粉末、粘合剂、分散剂和溶剂组成的软膏层。借助于强制对流使该软膏干燥。因为应当把所得结构分成被动底座12和驱动元件14，这些部分的成型略有不同。第一层将成为被动底座12，并且在正常情况下，在这个区域内不需要电极，因而在先前成型的并已经干燥的一层的顶上成型另一层软膏。使该软膏干燥，并且重复该处理，直到成型成足够厚的一般大约为1-3毫米的被动底座。在随后的几层之间，使用两种不同的掩模，丝网印刷例如由Pt或AgPd膏构成的电极图形。一种掩模用于相电极层16，另一种掩模用于地电极层18，并且它们被交替地使用。成型一般在几分米见方的表面上进行，并可以利用对中销使掩模对准。在成型完成之后，例如使用划片机将整个生坯分成单元10，同时，按照驱动元件14所需的长度，由具有相同深度的切口20分割驱动元件14。对单元10进行热处理，首先在大约600-700℃下，以便除去有机材料，然后在大约1000-1300℃下，把材料烧结成单块单元。在烧结之后，在两侧上印上例如银电极。8个电极16a-h在驱动元件14的主动区域内和相电极层16接触。地侧未示出，但其和相电极侧类似，只是其所有的层都连接在一起。驱动元件作为双压电晶片元件操作，因此在每个驱动元件14内具有两个不同的主动区域，如虚线所示。对银膏进行热处理而在单元10的侧面形成固态的银电极16。

利用这种单元使被驱动元件运动的机构是非动态型的。下面参照图2进行说明。其中示出了和图1相同类型的单元10，只是除去了一些细节，以便简化和容易理解。我们可以认为图2中的单块单元10由两组独立操作的驱动元件组成。让我们选择驱动元件14a和14c作为第一组驱动元件。因而这些驱动元件14a，14c同步地工作。这些驱动元件14a，14c和被驱动元件接触，在这种情况下，被驱动元件是轨道22。类似地，驱动元件14b，14d属于第二组。因而这些驱动元件14b，14d也同步操作。这些驱动元件14b，14d不和轨道22接触，如图所示。驱动元件14是双压电晶片元件，在双压电晶片的两侧上具有可独立控制的电压。因此，如果没有负载存在，驱动元件14的顶上，即接触点28，可以在某个区域内任意地运动。对于理想的双压电晶片并且对于小的行程，该区域构成一个菱形。对于两组驱动元件的某个相移运动，可以实现按照箭头26所示的轨道22的运动。

在本说明的其余部分，“轨道”指的是任何被保持在驱动元件上以便相对于这些驱动元件运动的物体。对于一些应用，当需要直线运动时，“轨道”优选基本上是平的。不过，对于转动应用，“轨道”可以是弯曲的，甚至具有圆形的截面。

图3a-3d示出了运动的基本构思。在这些图中，驱动元件的所有运动被极大地夸大了，以便使机构可视化。在图3a中，示出了所有驱动元件14都和轨道22接触时的情况。第一组元件向左弯曲，第二组元件向右弯曲。由于这种情况，第一组元件即驱动元件14a，14c沿箭头30的方向即右上方的方向受力。第二组元件，即驱动元件14b，14d沿箭头32的方向即左下方受力。这意味着，第二组驱动元件将释放其和轨道22的接触，因而轨道22跟随第一组驱动元件的接触点的运动。

在一些时间之后，达到图3b的情况。此时元件14正在改变其运动。由这种情况可见，第一组元件，即驱动元件14a，14c沿箭头34的方向即右下方的方向受力。第二组元件，即驱动元件14b，14d沿箭头36的方向即左上方的方向受力。这意味着，第二组驱动元件最终将再次和轨道22接触。

这种情况如图3c所示，即所有元件再次和轨道22接触，不过，第二组元件处于稍微不同的位置。由这种情况可见，第二组元件，即驱动元件14b，14d沿箭头30的方向受力，即右上方向。而第一组元件，即驱动元件14a，14c沿箭头32的方向，即左下方受力。这意味着，第一组驱动元件此时将释放其和轨道22的接触，因而轨道22跟随第二组驱动元件的接触点的运动。

经过一段时间之后，达到图3d所示的情况。此时元件14正在改变其运动。由这种情况可见，第二组元件，即驱动元件14b，14d沿箭头34的方向即右下方的方向受力。而第一组元件，即驱动元件14a，14c沿箭头36的方向即左上方的方向受力。这意味着，第二组驱动元件最终将再次和轨道22接触，并且重复该循环。其结果是使得轨道向图中的右方输送。

该运动的4个特征顺序被容易地识别。在图3a的情况中，第一组驱动元件处于其抓持顺序。这个运动顺序发生在图3a经过图3b到图3c之间。在图3c的情况下，第一组驱动元件处于其释放顺序。最后，这种运动顺序发生在图3c经过图3d到图3a之间。在理论上，抓持和释放顺序几乎是无限短，但是实际上，抓持和释放发生在某个时间间隔内。

用于制造图2所示的马达的普通方法是沿法线方向施加一个法向力24。下面主要使用直线运动26说明本发明，不过显然，大部分的方案可用于转动、直线-转动和直线-直线马达等。通常在转动马达中需要3个点接触，因此，按照非动态驱动机构的一般转动驱动单元将由6个驱动元件构成。不过，对于直线马达和转动马达，可以使用4个元件，或者使用数量大于1的元件，以便得到所需的驱动机构，只要导向使得在其它组元件保持着被驱动元件时，一组元件能够自由运动即可。

上述的例子基于两组驱动元件，一般具有180度的相移。也可以使用两组以上的驱动元件。例如可以使用三组独立的驱动元件，其相移为120度。这种结构给出了一种情况，其中两组在大部分时间期间内和要被移动的物体接触，而另一组则处于返回顺序。这样，利用较复杂的电子电路和机械结构可以达到较大的力。

元件的尺寸根据应用进行选择，要考虑的主要因素是，所需的驱动元件的伸长度，驱动元件的步长和要输送的负载。伸长度由例如所有驱动表面的平整度和粗糙度以及所有机械部分的弹性变形等因素确定。当轨道平整度为0.25微米，驱动单元平整度为0.25微米，以及弹性变形为0.50微米时，伸长度应当大于1.0微米，一般大约2.0微米便足够了。利用在最大允许操作电压下能够达到0.07％的机电应变的材料，元件的长度必须至少为3毫米。该元件可以认为是双压电晶片元件，并且如果我们考虑例如在图1中的元件14a，双压电晶片的一侧可以利用Ag电极16a致动，而另一侧利用Ag电极16b致动(假定地电极被连接在一起)。使用一个致动侧引起的双压电晶片的弯曲可以计算如下：

w = \frac{3 L^{2} s}{4 t} - - - (1)

其中L是驱动元件的长度，t是双压电晶片的总厚度，s是被致动层可以达到的应变，如图1所示。当厚度接近于长度时，在两个方向上获得的弯曲运动大约为1微米，这给出大约为2微米的步长。

利用非谐振机构的主要优点之一是可以实现可控的运动。本发明的这个方面披露了一种通过合适的电子控制实现精细行动的方法。如前所述，本发明可以应用于具有两个或多个驱动元件的各种非谐振型马达(转动马达，直线马达，直线和转动马达等)。精细行动旨在用于对位置、速度或加速度，或者最好对所有这些参数同时进行实时的精细控制。这应当被解释为，位置、速度与/或加速度可以在每个瞬时(在由控制电路决定的时间分辨率内)通过驱动电子电路被充分地控制。以前披露的非动态机电马达被局限于预定长度的机械步进，并在夹持-伸展-夹持顺序中的伸展阶段期间借助于控制电压来实现精细定位。这种类型的精细行动具有若干优点，最明显的是能够实现高分辨率的定位。此外，通过选择驱动元件组在抓持或释放时的速度，可以实现非常平滑的运动。下面将通过例子进一步说明这种方法。

首先必须定义步长和周期这两个参数。马达被周期性的驱动电压控制，在最一般情况下，该电压在该周期的时间间隔期间改变。一般地说，在该周期的时间间隔内电压周期的性状不改变，并且，如果我们首先考虑恒速和恒负载的情况，则电压周期是常数。在每个周期时间间隔期间，驱动元件共走两步。一个元件组走一步，另一个元件组走另一步。如果一个元件组精确地在其它元件组释放的同时抓持，如图3a-3d所示，则在一个周期期间的运动精确地相应于两个整步。不过，实际上，通常在两步之间有一个重叠，因而在一个周期期间的运动将小于两步之和。为了简单，把步长规定为在一个元件接触点接触轨道时的位置和在另一个元件的接触点接触轨道时的位置之间的距离。

如果我们现在只考虑一个元件的接触点，则可以更好地理解可控的精细行动。图4a示出了不考虑来自轨道等的法向力即在无负载的状态下的接触元件的运动范围。Z轴是法线方向，x轴是切线方向。因而切线方向是要被移动的物体的主要运动方向。外部菱形的区域40表示双压电晶片元件的接触点的最大运动范围。通过合适地选择元件的两个部分的电压，可以达到在该区域40内的所有位置。在图中画出了两个水平线，第一个水平线42表示相对于接触点的轨道的最低的位置，另一个水平线44表示相对于接触点的轨道的最高的位置。我们可以认为这个高度范围是在这一点的所有制造误差之和。因而从线42向线44的运动构成驱动元件的抓持顺序。类似地，从线44到线42的运动构成驱动元件的释放顺序。

轨迹48表示没有来自轨道的法向负载时元件末端的运动。在位置C，元件可能触及轨道，如果其处于最低位置，并且如果末端朝向D运动，则末端在到达线44之前即在C’之前将和轨道接触。在和轨道摩擦接触之后，元件要进而沿法向运动而到达D。在马达操作时，这是不可能的，因为轨道受到施加的法向力而不能沿法向自由运动，因而元件将跟随轨道表面。由单块单元、轨道、弹簧、机械细节等构成的整个系统将发生弹性变形，因而必须选择相应于位置D的法向高度充分地大于线44的高度。下面将进一步说明这种变形。

此后元件努力跟随通过位置E朝向位置F的轨迹，这将引起轨道的纯粹的切向运动。当然，摩擦系数和法向力必须足够大，以便克服任何切向力。如果此时元件运动到位置G，元件末端将从轨道释放，最早在G’，并且同时稍微沿切向运动。假定具有可以忽略的高度误差，即在42和44之间的法向距离，则可以认为步长等于在C和F之间的切向距离。如同由图4a可以理解的那样，通过选择适用于特定应用参数的轨迹，可以控制步长。

元件从G从轨道撤回，到位置H，在这个例子中通过中间位置A和B返回初始位置C。根据接触点是顺时针或反时针跟随该轨迹，轨道的运动方向可以沿x方向朝前或向后。

如果元件利用正弦电压控制，则相应的周期轨迹将是椭圆的，例如图4b中的46所示。容易理解，这种轨迹的步长相应于椭圆的水平轴即从J到K的距离的一半，还容易理解，利用正弦电压可获得的步长永远不能达到由使用菱形轨迹时的相应的电压达到的步长的相同尺寸。通过利用在抓持和释放顺序期间具有足够大的切向分量的轨迹，较大的步长尺寸一般是可以实现的。对于双压电晶片驱动元件确实如此。

在双压电晶片元件中在两相时在轨迹和电压之间的关系的一种相当好的估算是：

x(t)＝k₁(ub(t)-ua(t))

z(t)＝k₂(ub(t)+ua(t))

其中k1和k2是依赖于材料、几何尺寸等的常数。对于一个所需的轨迹，在双压电晶片驱动元件中两相的电压ua和ub可以写成：

ua(t)＝h₂z(t)-h₁x(t)

ub(t)＝h₂z(t)+h₁x(t)

其中h1和h2是常数，

用于驱动周期的时间信息是重要的，并且将在下面说明。本发明的运动轨迹的另一个优选的特征是，在所示轨迹上的速度是可变的。这意味着，通过相同长度的部分轨迹与另一部分轨迹所用的时间不必相同。通过改变轨迹速度，可以使得一组元件的抓持顺序的至少一部分和一组元件的释放顺序的至少一部分重叠，并且还可以使得沿相反的方向行进。借助于使从D到F的轨迹行进所用的时间和从G到C的轨迹行进所用的时间相同，并借助于使从C到D的轨迹行进速度和从F到G速度相同，使得一组元件的抓持顺序和相对的一组元件的释放顺序重叠。另外，通过使用相同大小的相反的斜率，即，使一组元件的抓持顺序的正轨迹斜率与另一组元件的负轨迹斜率相同，使得在这些顺序期间两个元件组具有相同的切向运动分量。使得接触的元件组的实际的转换得以用平滑的方式进行。

使用正弦电压时，这种轨迹速度的调节是不可能的，并且抓持和释放顺序必须在基本上为0的切向速度下进行。不可能实现在接触的元件组之间的类似的平滑转换。

驱动元件的驱动部分的运动被很好地控制。具体地说，在抓持、运动和释放顺序期间的主运动方向中的速度分量被按照一个速度时间表进行控制。在连续运动期间，该速度时间表是常数。不过，在运动期间，该时间表最好也是可以改变的，或者是可以调节的，以便处理例如加速或减速运动或精确定位。

图5给出了表示运动定时的另一种方法，其表示电压ua和ub如何随时间而改变的一个例子。切向速度是要考虑的一个重要参数。为了避免噪声、磨损等，并为了保持沿切向的平滑运动，处于和轨道接触状态下的驱动元件的速度应当以特定的方式被调节。作为一个例子，我们可以认为在切向负载为0时具有恒定的速度，并且在这种情况下，元件的切向速度从图4a中的位置C到G应当是恒定的。在恒定的切向速度下，在“抓持”部分C-D和“释放”部分F-G中的总速度必须大于切向速度，这是因为还具有法向速度分量。如同在上面已经指出的那样，在本发明中的“抓持”和“释放”顺序不完全和先前披露的相同，这是因为在抓持期间还具有被控的切向速度，不过为了简化，在下面的说明中将省略引用标记。可以使在返回部分G-C期间的速度比驱动元件处于和轨道接触状态时的部分的速度高得多，并使极限速度和驱动元件的动力效应相关。在抓持、运动D-F和释放部分期间的切向速度控制使得产生平滑的轨道运动。

在基于行动机构的马达中，至少有两个不同的元件组，该元件组具有两个不同的相，用于驱动在一个组中的元件。一个马达的相一般相应于在一组中的每个驱动元件的一个相段13a-13h(图1)。一般地说，一个马达由4个相驱动，虽然马达可以例如由两个或8个相驱动，如下所述。作为一个例子，如果把相的电压绘制成周期时间间隔的函数，一个相应当具有梯形的形状。一般地说，在同一组中的另一相被相移1/4个周期，并且在另一组中的其余的两相相对于第一组中的两相被相移半个周期。在一些情况下，这些相也可以具有不同的电压值。在一般情况下，所有的相可以具有完全不同的波形。

在图6a-6e中，示出了一系列的上述的重叠的示意图。如上所述，在这些图中，所有驱动元件的运动被大大地夸大了，以便使该机构可视化。在图6a中，所示的情况是第一组驱动元件14a，14c将要和轨道22接触而第二组驱动元件和轨道22接触的情况。第一组驱动元件被尽量向左弯曲，而第二组向右弯曲，但是未达到最大行程。由这种情况可见，第一组元件，即驱动元件14a，14c受到箭头30的方向即右上方的力。第二组元件，即驱动元件14b，14d受到箭头34的方向即右下方的力。这意味着，第一组驱动元件将和轨道22接触，而第二组驱动元件将释放和轨道22的接触。轨道22跟随接触的驱动元件的接触点的运动，即在图中向右方运动。

经过一段时间之后，达到图6b的情况。此时元件14改变其运动。由这种情况可见，第一组元件即驱动元件14a，14c受到纯切向的力，如箭头31所示。第二组元件，即驱动元件14b，14d受到箭头32的方向即左下方的力。这意味着，第二组驱动元件可以自由运动，并且轨道22跟随第一组元件向右运动。第一组元件14a，14c以及轨道33的这个运动在图6c，6d中还被继续。不过，第二组元件在图6c中改变其运动为纯切向运动33，其和轨道运动的方向相反。在图6d中，第二组元件的运动再次改变为向左上方的运动36，这意味着第二组驱动元件14b，14d再次靠近轨道。

除去第一和第二组元件改变了它们各自的作用之外，图6e的情况相应于图6a的情况，此时可以执行第二个半周期，以便返回其原始位置。

其中也容易区分运动的4个特征顺序。第一组的抓持顺序和第二组的释放顺序在图6a开始，并在图6b结束。第一组的运动顺序和第二组的返回顺序发生在图6b和图6e之间。此时第一组准备释放，而第二组开始抓持。

如果在抓持和释放顺序期间的切向速度分量等于运动顺序的切向速度则将是另一个优点。这使得在整个周期期间轨道作不间断的匀速运动。不过，返回顺序不必以某个速度进行，因为此时元件是可以自由运动的。不过，此时的速度必须比其它的顺序高一些，以便及时开始抓持顺序。

在抓持和释放段内的法向速度部分地由可利用的运动范围、高度误差和所需的步长确定。元件的法向速度和法向的理想的位移将对轨道产生法向的冲击，该冲击通常在轨道中(也在元件中)产生声波，并可能引起磨损。通常需要减少声发射，尤其是在20kHz以下的声发射，因而，使机械冲击最小是重要的。忽略高度误差，我们一般选择在抓持期间具有平滑的法向接近，例如沿法线方向的加速，以便减小机械冲击。为了减少声发射，我们宁愿采用反作用力、位移和波形成，例如在一个元件组释放的同时另一个元件组抓持。因而速度表包括两个不同元件组沿基本上垂直于要被运动的物体的表面的方向的相抵销的运动。在抓持和释放期间使用法向速度控制减少机械撞击和声发射。借助于控制电子电路使电压波形自适应，如在下面详细说明的。该自适应可以通过简单地测试不同的电压波形并选择一个产生最低噪声的波形，即纯粹的试验和误差程序来实现。不过，在许多应用中，元件、元件的表面和轨道的性能是熟知的，并且可以构成或多或少的科学模型，然后通过试验对这些模型优化。

在两个驱动元件组之间的相位差一般是180度，从而获得尽可能稳定和平滑的性能。这意味着，对于彼此对照的两组元件，其性能是相同的。不过，有时通过调节相位差来改善性能是有利的，一般其可以抑制不需要的谐振。返回段的周期的一部分确定两个元件组的位置关系。例如如果我们考虑在非常低的速度下、具有非常快的返回段、并且在元件组之间具有180度的相位差的运动，则当一个元件组达到位置C时另一个元件组基本上在位置E。这可以认为是一种极端的选择，另一个极端的选择是具有50％的返回周期，即等于抓持、运动和释放周期部分。在第一种情况下，两个元件组大部分时间使轨道运动，例如共同给出高的切向力能力和稳定性。在另一种情况下，一般具有低的法向力和好的平整度(轨道和元件接触点的高度误差)，可以使用非常简单的驱动周期，当必须使成本最低时，这是有利的。一个例子是简单的菱形和通常最大的运动范围40。通常是一种最好的折中的驱动周期是在图4a中给出的轨迹48，当一组元件在位置F时，另一组元件在位置C。抓持和释放顺序同时进行，同时根据需要保持控制切向速度。

在非动态和伪静态运动的机构中，至少一组元件和要被移动的物体接触。这意味着，运动周期可以在任何阶段中断，而不放松对运动的控制。用这种方式，可以实现微步进，即可以实现比步长短的步进。在微步进中，位置分辨率主要取决于相对的电压分辨率和步长。通过具有精细控制的电压，可以实现精细的步进。

在图4c中，在外菱形40内还画有内菱形50。内菱形50表示用于被控制的减少步长的运动区域。步长应当相对于参数，例如应用中的分辨率、振动的抑制以及驱动元件末端的倾斜的角度进行选择。该倾斜可能以不利的方式影响性能，并且一种解决办法是把末端弄圆，从而实现平滑的接触。另一种解决办法是使步长变小，即使用倾斜较小的元件。驱动元件末端的形状对于靠近接触区域的弹性形变也是重要的，太小的半径可能引起太大的弹性变形。在双频下利用半步长驱动马达的可能性使得能够抑制马达中的振动或其它的机械细节。能够调节步长的主要的重要性在于，其使得精细定位变得简单，而且更加精确。通过使步长小于所需的定位分辨率，控制器可以简单地利用整步，直到达到所需的位置。不需要保持跟踪达到所需的位置所需的整步的数量和微步的数量，如同在微步方式下那样。因为总有和抓持与释放以及例如和时间相关的蠕变等因素有关的某种类型的定位误差，减少的步进方式比微步方式更加稳定。当进行最后一步时，可以选择电压为0，不会引起和微步方式相关的那种定位改变更多地发生。下面说明在使用微步进时关于定位的更多的细节。

在一般的运动的情况下，描述两个元件组的空载轨迹的x-z平面内的时间相关的位置矢量r(t)应当能够在每个瞬时改变，从而得到全部的运动自由度。在某种程度上，利用现有的模拟和数字电子电路，这是能够实现的，但是极少需要具有这种自由度。而是具有一些必须仔细考虑的特殊情况。

其中之一是加速/减速，作为例子，我们以加速进行说明。具有其惯性负载的轨道不会比元件允许的力加速得快。具有两种要考虑的极端的情况，即平稳的加速或最大的加速。最大加速实现时，两个元件大部分时间都和轨道接触，并且基本上这些元件在C抓持，并快速运动到G，以便实现最大的力。这仅仅以低速做功。返回顺序甚至更快，并且两个元件组大约以180度的相位差操作。这种类型的加速过程具有和磨损与噪声有关的缺点。如果在纯运动顺序D到F期间进行加速，则在两个元件组之间可以以减少的相对速度进行抓持和释放，例如从磨损的观点看来，这是有利的。利用在运动顺序开始时的较高的加速度，可以实现相当高的加速，使得元件在位置F大约处于理想的空载轨迹48的状态下。

另一个容易的程序是每步改变一次速度，例如在位置D，并允许在两个元件组之间在抓持和释放期间具有微小的相对速度差，因为在加速期间，元件将不沿着空载轨迹运动。一般地说，在驱动周期中的不同段的加速控制使得每种应用能够优化马达。

在本发明中的精细行动考虑在轨迹中的每个位置停止的两种可能性，这意味着利用正确的电子控制电路、以及在选择步长时的自由度、抓持/释放和重叠的时间，可以实现任意精细的分辨率。即使利用步进马达不能进行模拟操作，也可以以微步方式驱动马达。在电磁步进马达中，电流被这样控制，使得每一步可以被划分成小的增量。如果我们考虑现在的马达的电压控制，在双压电晶片元件的两个相中的电压的精细调节使得能够在沿着选择的轨迹的每个位置停止，即实现压电微步进。

在图4a-4c中，示出了没有任何法向或切向负载时的元件末端的轨迹。当驱动单元利用一个法向力被压到一个轨道上时，在大多数情况下，将具有驱动单元和其它元件的不能忽略的变形，它们不能被看作是对轨道产生法向力的弹簧。借助于使用驱动单元的被动部分作为位置基准，具有法向负载的轨迹可被认为在实际的情况期间当元件和轨道接触时沿z方向有些减小。在大的切向负载下，在空载和有载状态下的轨迹之间也存在不同。根据如何实现在一组元件抓持时另一组元件释放，在抓持顺序期间，元件末端将被沿着x方向移动/变形。移动的方向取决于切向负载的方向。在实际情况期间的可能的轨迹应当如图4a所示的轨迹49。

在x-z坐标下给出的元件末端的速度矢量很大地依赖于负载条件和两个元件组的抓持和释放顺序同步的程度。比较通常地考虑在有载情况下为产生所需运动所需的力，并调节两个元件组的时间相关的轨迹以便优化性能。在具有外部切向负载时或者在加速/减速期间，在抓持期间由元件末端施加的力将具有法向分量和切向分量。在恒定速度下和没有外部负载时，则只有法向力分量。本发明的运动原理的特征在于，元件末端在元件组的运动交换时具有某个非零的切向速度。

在大多数马达中要考虑的另一个方面是停止和保持程序。在某个类型的弹性力把单块单元压在轨道上时，保持能力基本上和驱动元件的位置无关。使两个元件具有接近0的相对运动，从而保持定位并实现大的摩擦是更为重要的。因为具有高的应变能力的大多数机电材料遭受蠕变、老化等等。重要的是以这样的方式停止运动，使得在保持/停止位置运动是可以忽略的。该两个这种位置是当电压被切断时，或者当电压以这样方式被加上，使得两个元件组以对称的方式反作用时的位置，即处于对称的对抗平衡。电压最好在E位置被切断，使得双压电晶片的两侧具有相等的电场，并且驱动元件接触点的运动将跟随向下直到位置A的直线。如果在元件上保留电压而没有问题，元件也可以保留在高压对称位置E。为了得到反抗平衡，两个元件组应当位于相对于中心线A-E为对称的位置。为了也包括时间相关效应，也可以使元件组沿不同的方向运动，例如一组顺时针运动，而另一组反时针运动。一种典型的解决办法是使一组元件跟随轨迹48，例如顺时针，并在D和E之间的一个位置停止。然后另一组反时针向位置G运动，然后沿着线G-C运动，达到第一组的镜像的x位置。此后，第二组平行于z轴运动，以便达到对称的反抗位置。两组的蠕变、老化因而被有效地抵销。对于精细定位，为达到反抗位置或稳定位置以便停止或保持，元件组的被控制的定位是重要的。

能够调节步长对于精细定位是非常有利的。如果步长被这样调节，使得驱动元件达到非常接近E位置的所需位置而不位于在C-E或E-G之间的某个位置，则驱动元件可以因在切向位置具有受限制的移动而直接转向。步长的调整可以连续地进行，或者在达到所需的位置之前的最后一步进行。

为了实现极小的步长可以利用合适的位置检测器在闭环应用中使用本发明的运动。如果步长和所需的分辨率相比非常小，则容易用闭环控制程序实现很好的控制运动。步的相等的尺寸和稳定的运动也是重要的。利用微步进，闭环定位应用不能确保在一步内达到所需的位置，因而微步进处理必须进入随后的步骤以便实现所需的位置。闭环控制指的是这样一个过程，其中位置检测器给出实际的位置，调节程序比较实际位置和所需位置，并控制马达运动使得偏差最小。

如前所述，有多种可用于实现被控制的精细行动的电子电路方案。一种可能的方案是，用数字方式产生所需的波形表述。然后使用数字/模拟变换器和放大器产生相应的电压波形。

适用于这种应用的放大器电路的一个实施例如图7所示。线性放大器63驱动一个马达相，该马达相由电容64表示。一般地说，线性放大器63本身是一个电路。最好是，放大器64具有内装的或外装的低通滤波器，以便避免在马达或其它元件中引起谐振。线性放大器由数模转换器62驱动，该数模转换器从集成电路61得到数字形式的电压波形。集成电路最好是可编程的逻辑电路，例如FPGA(场可编程栅极阵列)，使得容易优化用于每种应用的马达。选择采用马达的电压控制具有许多优点，其中包括稳定性和简单化。一个重要的优点是，可以使用该电路阻滞多种不希望的运动方式，因为马达的相可被认为是在给定电压下被短路连接。通过合适地选择放大器的阻抗，可以阻滞各种不希望的运动方式。FPGA的并联结构使得其容易运行复杂的优化程序，其中所有的相必须每个周期甚至更经常地被改变。当前可得到的廉价的电路能够在100kHz的频率下驱动马达，其周期分辨率大于每周期256个微步。这大约相应于25.6MHz的时钟频率。可以使电压的精确度更好，并且不限制马达的分辨率。利用500MHz的时钟频率，这在当前用稍微高一些的费用便可得到，将使微步分辨率改善20倍。

可以使用两种不同的精细行动机构，即具有IC的减少步长的和微步进行动机构，可以实现高的定位分辨率。极限分辨率将由和最大步长有关的电压分辨率确定。例如，在50V，1微米的最大步长的条件下，12位的电压分辨率相应于在埃范围内的极限定位分辨率(12位，半步)。在微步方式下，分辨率将是2倍的步长除以周期分辨率，因为每个周期具有两步。为了使分辨率最佳，最好选择减小的步长，以便补偿比电压分辨率较低的周期分辨率。还能够利用减少的接近于极限分辨率的步长规定步，当需要把蠕变和其它不希望的运动减到最小时，这是有利的。一般地说，蠕变等等是全行程的一部分，因而通过减少行程便可以减少不希望的运动。

具有多种利用图1所示的单块驱动单元构成操作的马达的方式。可以区分两个特定的情况，即重负载或可忽略的负载，下面说明对于这些情况的机械解决方案。在本发明中使用的非动态的机构对在操作期间的机械稳定性附加了特定的要求。所有的驱动元件(接触点)必须能够在预定的位置和轨道实现接触。如果我们考虑一种用这样的方式被引导的轨道，使得由图8的虚线所示的最大角度误差76足够小，以便允许进行可控制的马达的操作，则当施加切向力T 74时，主要的需求将在用于产生法向力N 24的细节上。如果使用弹簧78，则切向力可以使安装模块70转动，在该安装模块70中一般固定着单块致动器单元10。安装模块70可以由钢或者其它结实的材料构成。如果弹簧78具有位于单块致动器单元10和轨道22之间的接触平面74上的或者接近该接触平面的安装点80，将大大地抑制安装模块70的转动。最好是，整个弹簧78应当位于接触平面74内。为了保持在切向方向上的位置控制，弹簧78应当尽量具有各向异性的性能，即沿法向方向足够软，而沿切向方向则尽可能硬。

如何实现所需的法向力并同时在切向具有高的刚度的一个例子是在接触平面内或者接近接触平面的位置使用扁弹簧78。弹簧78的另一个所需的性能是能够使模块和轨道自动地对准。最好是把整个安装模块70和弹簧78安装在机制的壳体内，并不加任何调整便能进行操作。这可以利用图8中给出的弹簧78来实现。在接触平面74内例如扁弹簧78的弯曲刚度可被调整，使得在模块中的驱动元件的接触点能够自动平行地对准轨道表面，即弹簧将具有自对准功能。在图9中，以顶视图示出了一种具有弹簧78的安装模块70，其中由虚线表示轨道22。安装点80在接触平面内，或者靠近该接触平面，但是和轨道22运动的法向和切向正交，并且相对于安装模块70为对称。

应当再次强调的是，可以使用几个不同的单块单元，这在许多应用中具有优点。在这些最后的例子中，可以有利地使用由4个驱动元件组成的一个单元，其中双压电晶片的相和图1所示的垂直。此时驱动元件向侧向倾斜而不向长度方向倾斜，并且模块的方位垂直于轨道而不是平行于轨道。在这种情况下，模块将对如图8所示的那种倾斜误差不敏感，因为相对于轨道的高度差对所有的驱动元件是相等的。

用于小行程的轨道的一种简单的引导由一种平行弹簧的结构即双悬臂构成。其可以是两个平行的悬臂90，如图10所示，其中单元10利用法向力24压在轨道24上，借助于弹簧沿法向的伸展产生反作用力。用于使悬臂弯曲所需的力小得多，并根据弹簧长度允许小到中等的行程。用于减少沿法向的运动的另一种型式是使用图8和图9所示的对抗性装置，或者制成对称的叶片弹簧92，如图11给出的。在这个实施例中，弹簧由具有缝隙94的叶片构成。在叶片92中的缝隙94使得叶片作为多个协同操作的和对抗的双悬臂梁，并且在垂直于叶片法向的至少一个方向操作。叶片92在机械上被固定在支承结构的由小圆圈93表示的点上，即基本上在所示的图的前方和后方。这种双悬臂梁结构大大减少了由于切向运动引起的梁的平行移动，可以具有大的行程而没有过多的空间要求。

对于可忽略的负载，可以不需要对轨道进行特定的引导便能获得受控的运动。轨道的切向位置基本上由精细行动确定，并且只需使用简单的细节来保持轨道在正交方向上的位置。提供一个法向力便足够了而不用产生大的切向力。一个非常简单的方法，如图12所示，是使用利用法向力24压在轨道22上的具有低的摩擦系数的直线支承件102。支承件102的材料例如可以是PTFE聚合物。法向力24可以利用简单的弹簧产生，例如和致动器单元10的安装模块70或者其它机械部件相连的螺旋弹簧100。在一些应用中可能需要沿切向具有较高的刚度的其它类型的弹簧，例如叶片弹簧。一种成本高一些的方法，如图13所示，是使用球104或者滑动支承件来提供法向力，而不产生太高的切向力。如果支承件104利用图中未示出的某些机械装置被固定到安装模块70上，力本身可以通过螺旋弹簧100或者甚至橡胶材料进行调节。该橡胶可以是装配到支承件上的O形环。使轨道22保持在垂直于切向的位置的一种简单的方法是在支承件上的某个类型的轮廓。此外，可以使用几个球支承件或滚子支承件。可以沿着轨道设置若干个球支承件。另一种方案是利用自由的球或滚子，它们由另一个固定型面的轨道保持紧靠要被移动的轨道，该固定型面的轨道用于保持该滚子/球不会沿侧向运动或者沿长度方向移动太远。

应当理解的是，在微型的等级下，运动范围只是微米数量级的，并且轨道表面必须极其平坦。此外，驱动元件的高度必须在非常小的公差内被调节。轨道的平整度可以利用常规的研磨和抛光技术形成，同时单块单元的抛光必须按照和选择的材料有关的特定的处理进行。在最后抛光之前，压电陶瓷材料应当被极化，以便避免在抛光状态下材料发生变形。这不是普通技术，因为此时单块单元必须利用连附的电载体被抛光，这通常是不需要的。软的压电材料在使用之前不必极化，因为短的磨合将达到所需的极化。在简单的马达中，不能控制驱动元件的高度的缺点可以通过廉价的抛光处理来补偿，并且在这种情况下，我们优选的方案是在使用之前不使马达极化。

和在抓持与释放时的速度矢量有关的时间的精确地选择以及在两个驱动元件组之间的重叠时间对于取得最佳的性能是至关重要的，并且这些方面在其它处已经详细讨论过。如果我们考虑非动态马达的能量消耗，则法向运动总是和损失有关，因为在材料中的损失是不可忽略的，哪怕利用最理想的驱动电子电路。因此轨道和接触点的表面平整度的控制对于提高效率也是需要的。在轨道中的材料性能的选择对于获得最佳性能是重要的。为了减少在接触点的弹性变形因而能够在大的法向力的情况下保持高的平整度，高的杨氏系数是有利的。根据应用，轨道的磨损可能是关键的，尤其是当可能产生磨损边沿时。因此，有利的是使用比驱动元件的接触点耐磨的轨道。具有另一种方法用于减少轨道和驱动元件接触点的磨损并同时减少对于高的法向力的需要。当间距非常小，小于大约10纳米时在两个表面之间的分子力是重要的，并且这个效应通常称为“量规效应”。利用合适的气体或液体，例如润滑剂，在轨道和驱动元件的接触表面之间，可以用中等的或者为0的法向力达到大的摩擦而不引起任何表面磨损。这在具有极平的表面的非动态马达中是有用的。

在特定的应用中，为了能够实现所需的切向力，轨道和驱动元件接触点之间的法向力和摩擦性能必须正确地设计。对于最硬的和刚性最大的适用于轨道和驱动元件的材料，必须选择法向力大大地大于切向力，因为此时摩擦系数小于1。虽然某些材料例如橡胶具有相当高的摩擦系数，但在某些应用中是有利的。由于橡胶具有相当低的刚性，其厚度必须足够小，以便允许驱动元件能够自由运动。另一种具有许多优点的可能性是在驱动元件和轨道上使用齿状物。此时法向力可被大大减小，因而磨损也被减小。使用齿状物的主要优点在于，可以以高的准确度和精度实现开环定位。该齿状物可以利用当前标准的微机加工技术制造。

当设计一种高性能的非动态马达时有几个方面需要考虑。一个重要的方面是材料中的损失，其引起材料内的温度增加。因为，例如压电效应在铁电材料的居里温度以上便消失了，所以必须把温度保持在这个限制之下。所有的温升的大部分都引起材料的热膨胀，因而增加各种元素的扩散，并对聚合的任何组分带来不利影响。因此需要控制在单块单元中的温度，其中的一个方法是在被动底座中附加电极层，这是因为金属具有高得多的导热率。一般地说，这些层应当和地电极相连。在现在的这种非动态马达中的主要冷却通路通过驱动元件直到轨道，并通过电连接直到该单元。通过使用具有高的导热率的集中的接触材料，也能使经过轨道的冷却通路得以改善。

在制造过程中的一个重要的步骤是电连接该单块单元。具有几种方法可以使用，每种方法都有其优缺点。如在国际专利申请PCT/SE00/00063和PCT/SE00/00064中提出的那样，该单元可以利用机械方法或者利用连接技术被固定到柔性印刷电路板上。如同在PCT申请PCT/SE00/00064中披露的那样，可以利用柔性载体中的弹性力实现接触，这将使得例如在极化之后能够拆开。可以在较后的阶段实现永久的焊接连接。在大规模生产时，丝网印刷这种普通的表面安装技术，或者在元件，在我们的情况下的单块单元，就位之前在柔性载体的顶上分配焊料的方法具有很大优点。可以放置单块单元使得驱动元件和柔性载体垂直或平行。垂直放置的一个优点是，可以容易使单块单元的两侧上的电极，即相电极和地电极被同时接触。其缺点是整个单元将用聚合物作为法线方向上的机械支承。如果单块单元平行于柔性载体表面放置，则在背面可能具有硬的和刚性的支承。在这种情况下，必须在和相同样的一侧实现地接触，或者必须有些技巧才能实现和背面的连接。如果我们考虑图14，其中可以看到和图1所示的类似的单元10的背面。在被动底座12中引入了附加的电极层15。利用这些层使得能够从单元10的前侧(未示出)连接地电极17a-d。另一个解决方案是这样划分柔性载体，使得载体的一部分可以达到另一侧。关于最后在柔性载体上的连接，有几个细节需要考虑。在一些应用中，地电极17a-d最好是用和相电极14a-h(图1)相同的方式划分，这还能够减少在丝网印刷过程中所需的掩模的数量。

地电极也可以是完全分离的，在这个例子中将以一种16线的马达结束本说明。一般地说，地电极是相连的，虽然具有两个主线的不同方案。或者使所有的相保持分离，这给出一种9线马达，或者属于同步操作的组的相连接起来，这给出一种5线马达。5线马达可认为是一种4相马达。如果我们考虑元件a中的一个相，则这个相和元件c或d中的另一相相连。第一种可供选择的办法给出在同步操作的驱动元件之间的相同的距离，第二种可供选择的方案给出对于单元的中心的对称性。中心对称的结构是优选的，即，在a元件中的左相和d元件中的左相相连，a元件中的右相和d元件中的右相相连等等。在8相马达(9线)的情况下，由于不同元件的接触点的制造误差等，可以通过对相应的相附加偏压进行微小的高度位置的调节。例如，如果发现驱动元件a比所需的值低0.1微米，则对该元件中的相a和b附加相应于这个延长的偏压，进行补偿。

本领域的技术人员应当理解，不脱离由本所附权利要求限定的本发明的范围和构思，可以对本发明作出许多改变和改型。

附录1

已经提出了基于机电材料的多种不同的马达，其中的一些已经投放市场。为了区分在许多论文中披露的各种驱动机构和本申请，这些机构可以按照物理原理尤其是对于微型马达的重要性被划分。进一步的细分也是可行的。下面简要说明不同的机构。

驱动机构的第一种分类方法是把其分成动态机构和非动态机构。通过利用一些马达元件的惯性与/或时间相关的物理效应，可以实现基于动态机构的各种机电马达。一般地说，马达可以在某个频率范围内操作，而在低的内部速度或频率下不操作。通常遇到的被称为超声波或行波马达的属于动态机构类，下面是基于机械谐振的马达的一个特定例子。

所披露的马达结构的主要部分基于压电材料本身的机械谐振，或者基于和压电材料机械连接的一种结构的机械谐振。被驱动元件通过和谐振表面或元件的间歇的周期性接触实现运动。在行波马达中，在被驱动元件即转子和一些谐振元件之间总是接触的。在这种结构中的主要兴趣和节能以及运动放大有关。在谐振中的一种主动结构可以利用很小的能量消耗而运动，这在理论上可以用于高效率的马达中。根据使该结构实现谐振的容易程度，可以获得较小的或者较大的运动放大。当尺寸被减小并且机械零件之间的间隙小时，运动放大是重要的。在实际上的缺点是具有相当高的磨损，并且难于达到谐振部件的大的运动范围而不发生故障。

一些马达使用惯性效应，被驱动元件通过以周期方式和致动元件间歇摩擦接触而运动。被驱动元件或者马达中的一些其它元件的惯性被这样选择，使得致动器元件能够通过快速的两维运动而自由地运动到另一个接触位置。一个周期由产生动态接触、被驱动元件的运动、动态释放以及返回开始位置构成。动态性质使得其需要把周期频率保持在某个范围内。如果接触时间相对于周期时间较短，则该惯性机构成为一个撞击机构。在具有短的寿命和介质力的应用中，这种机构的一个重要优点是，对于要被接触的表面具有适度的要求。由于动态运动，这种机构在定位和分辨率方面不如非动态机构。

粘滑机构是一种特殊的惯性机构，其中利用在致动器元件和被驱动元件之间在零相对速度时的摩擦系数的增加。在这种情况下，不需要致动器元件的二维运动。因为在零相对速度下摩擦系数一般较大，所以在小于滑动力的力的作用下利用致动器便可以实现被驱动元件的所需的运动。在初始高的加速度下以高的速度使致动器向回运动。致动器的加速度被选择得足够高，以便引起致动器和要被运动的元件之间的滑动。因而利用被驱动元件的惯性。其主要优点是结构简单，主要缺点是元件的磨损和机构的非可控性质。

具体地说，以前披露的或以前具有的压电马达的结构基于一种撞击机构。一般地说，一部分机械动量被从振荡致动器传递给运动元件。其优点是容易制造，但是具有若干缺点，其中包括和改变运动方向以及磨损有关的问题。

非动态机构的特征在于，其运动可以在主动元件的任意低的频率或速度下进行。被驱动元件借助于致动器元件被移动，这使得运动周期由顺序例如抓持、运动、释放和返回构成。当一个元件(组)释放时，另一个元件(组)则抓持被驱动元件。这意味着必须提供至少两个抓持元件(或元件组)，它们被配置用于提供交替的抓持-释放功能。非动态机构的上限一般是循环频率，其中致动器元件的机械谐振将大大影响元件的运动，即准静态限制。一般地说，在需要以低到中到高的速度控制定位时，非动态机构是有利的。此外，这种机构在各种应用中容易优化，并且使得能够提供高的力。主要缺点是对结构的要求，以便实现所需的机构。因此，用于简化结构而不损失性能的各种方法具有大的商业兴趣。下面讨论的用于非动态运动的机构是尺蠖机构和利用纤毛驱动元件的机构。

在尺蠖机构中，被驱动元件以夹持-延伸-夹持的方式按照机械步运动。必须具有至少两组异相运动的夹持元件。夹持元件和一个使被驱动元件运动的中心伸展管相连，在每个运动即伸展之间，被驱动元件被两组元件夹持并保持静止。

利用纤毛驱动元件，机械步进可以利用只能沿一维方向运动的驱动元件来实现。主要需要异相操作的两组元件。一组能够沿在法向和切向之间的方向运动。另一组也能沿法向和切向之间的方向运动，不过一般相对于法线是第一组元件的镜像。如果第一组上升，则驱动元件沿法向和切向运动，使第二组上升，以便接触被驱动元件，然后使第一组下降。当使第二组下降时，被驱动元件沿和第一组引起的运动相同的方向运动。通过改变两组之间的相位来改变方向。

还可以通过一种和要被移动的物体接触的基本上非动态的机构产生运动，但是涉及具有动态特性的某些部件。这种机构可被用于受控的行动，并且基于两组元件，其中和被驱动元件接触的一组(准)静态地操作，而不与被驱动元件接触的一组以更动态的方式操作。一般地说，和被驱动元件不接触的元件使用该元件与/或其它元件的惯性，从而实现从释放到抓持顺序的快速的返回。因而，被驱动元件可以以任意低的速度运动，但是返回顺序的频率或速度必须足够高，以便使该元件能够自由地运动。这种机构可被成为伪静态的。

Claims

1.一种用于驱动机电致动器结构(10)的方法，该结构具有多个驱动元件(14a-d)，这些驱动元件按照一行动机理被驱动，以及沿主要运动方向(26)要被移动的本体(22)，所述驱动元件(14a-d)的驱动部分(28a-d)可以沿着以及垂直于所述本体(22)的表面独立地运动，所述方法包括以下步骤：

按照4个顺序周期驱动第一驱动元件组的驱动元件：抓持所述本体(22)，移动所述本体(22)，释放所述本体(22)，以及把所述第一驱动元件组的所述驱动元件返回到原始位置；

按照4个顺序周期驱动第二驱动元件组的驱动元件：抓持所述本体(22)，移动所述本体(22)，释放所述本体(22)，以及把所述第二驱动元件组的所述驱动元件返回到原始位置，所述第二驱动元件组的所述驱动相对于所述第一驱动元件组的所述驱动被相移，所述第二驱动元件组对于所述第一驱动元件组是独立的，并且在每个瞬时，第一驱动元件组和第二驱动元件组中的至少一组和所述本体(22)的表面接触；

其特征在于，

在一不可忽略的转换时间间隔期间，所述第一驱动元件组的所述抓持和所述第二驱动元件组的所述释放重叠，使得所述第一驱动元件组和所述第二驱动元件组同时通过所述驱动部分(28a-d)接触所述本体(22)；

在一不可忽略的转换时间间隔期间，所述第二驱动元件组的所述抓持和所述第一驱动元件组的所述释放重叠，使得所述第一驱动元件组和所述第二驱动元件组同时通过所述驱动部分(28a-d)接触所述本体(22)；以及

在所述抓持期间，所述第一驱动元件组和第二驱动元件组的驱动还包括利用具有沿所述主要运动方向(26)的一有效分量的速度驱动所述驱动元件的所述驱动部分的步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述转换时间间隔期间，所述第一驱动元件组的驱动元件的所述速度沿所述主要运动方向(26)的所述有效分量和所述第二驱动元件组的驱动元件的所述速度沿所述主要运动方向(26)的所述有效分量相同。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照4个顺序周期驱动第一驱动元件组的驱动元件和按照4个顺序周期驱动第二驱动元件组的驱动元件的步骤还包括：在所述抓持、移动和释放顺序期间按照一速度表控制所述驱动元件的所述驱动部分的沿所述主要运动方向(26)的速度分量的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述速度表包括沿所述主要运动方向(26)的恒定速度的部分。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述速度表包括沿垂直于要被移动的本体(22)的表面的方向的所述第一驱动元件组和第二驱动元件组的反作用的运动。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述速度表包括加速部分和减速部分。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照4个顺序周期驱动第一驱动元件组的驱动元件和按照4个顺序周期驱动第二驱动元件组的驱动元件的步骤还包括：在所述移动期间，沿所述主要运动方向(26)移动所述驱动元件(14a-d)的所述驱动部分(28a-d)的步骤。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，把所述4个顺序周期的每一步骤划分成微步，借以使所述按照4个顺序周期驱动第一驱动元件组的驱动元件和按照4个顺序周期驱动第二驱动元件组的驱动元件的步骤能够在所述每个微步被中断，以便增加所述驱动步骤的分辨率。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括当所述按照4个顺序周期驱动第一驱动元件组的驱动元件和按照4个顺序周期驱动第二驱动元件组的驱动元件的步骤被中断时，移动所有驱动元件(14a-d)的所述驱动部分(28a-d)以便和所述本体(22)的表面接触的步骤。

10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，和可能的最大步长相比，减少所述第一驱动元件组和第二驱动元件组的周期步长。

11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括当第一驱动元件组的两相中的电压相同时中断所述驱动第一驱动元件组的驱动元件的步骤以及当第二驱动元件组的两相中的电压相同时中断所述驱动第二驱动元件组的驱动元件的步骤。

12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括按照4个顺序周期驱动附加驱动元件组的驱动元件的步骤：抓持所述本体(22)，移动所述本体(22)，释放所述本体(22)，以及把所述附加驱动元件组返回到原始位置。

13.一种机电致动器结构(10)，包括：

多个驱动元件(14a-d)，这些驱动元件按照一行动机理被驱动；

沿主要运动方向(26)要被移动的本体(22)，借以使所述驱动元件(14a-d)的驱动部分(28a-d)可以沿着以及垂直于所述本体(22)的表面独立地运动；

驱动装置，用于按照4个顺序周期驱动第一驱动元件组的驱动元件：抓持所述本体(22)，移动所述本体(22)，释放所述本体(22)，以及把第一驱动元件组的所述驱动元件返回到原始位置，并用于按照4个顺序周期驱动第二驱动元件组的驱动元件：抓持所述本体(22)，移动所述本体(22)，释放所述本体(22)，以及把第二驱动元件组的所述驱动元件返回到原始位置，所述第二驱动元件组的驱动相对于所述第一驱动元件组的所述驱动被相移，所述第二驱动元件组对于所述第一驱动元件组是独立的，并且在每个瞬时，所述第一驱动元件组和第二驱动元件组中的至少一组和所述本体(22)的表面接触；

其特征在于，

所述驱动装置还包括用于在所述抓持期间，利用具有沿所述主要运动方向(26)的一有效分量的速度驱动所述第一驱动元件组和第二驱动元件组的所述驱动部分(28a-d)的装置。

14.如权利要求13所述的机电致动器结构，其特征在于，所述驱动元件(14a-d)是由单块本体的被动部分连接的所述单块本体的主动部分，并且所述被动部分还包括附加的电极层(15)。

15.如权利要求14所述的机电致动器结构，其特征在于，所述附加的电极层(15)被接地，用于改善导热率。

16.如权利要求13、14或15所述的机电致动器结构，其特征在于，所述驱动部分(28a-d)由具有大的导热率的材料制成。

17.如权利要求13、14或15所述的机电致动器结构，其特征在于，所述第一驱动元件组和所述第二驱动元件组相对于所述机电致动器结构(10)的中心是对称的。

18.如权利要求13、14或15所述的机电致动器结构，其特征在于，所述驱动元件(14a-d)借助于弹簧(78)被保持靠着所述本体(20)，该弹簧安装在所述驱动部分(28a-d)和所述本体(22)之间的接触平面(74)内。

19.如权利要求13、14或15所述的机电致动器结构，其特征在于，该结构还包括和所述本体(22)接触的直线支承件(102)以及连接在所述直线支承件(102)和所述驱动元件(14a-d)之间的弹簧装置(100)，用于向所述本体(22)施加法向力(24)。

20.如权利要求13、14或15所述的机电致动器结构，其特征在于，该结构还包括和所述本体(22)接触的球体或滚子(104)以及被连接在所述球体或滚子(104)与所述驱动元件(14a-d)之间的弹簧装置(100)，用于对所述本体(22)施加法向力(24)。

21.如权利要求13、14或15所述的机电致动器结构，其特征在于，该结构还包括与所述驱动元件(14a-d)机械连接的两个悬臂(90，92)，所述本体(22)被安装在所述悬臂(90)之间，所述悬臂(90)可以沿所述主要运动方向(26)移动。

22.如权利要求21所述的机电致动器结构，其特征在于，该结构还包括含具有缝隙(94)的叶片(92)的弹簧，所述叶片(92)作为沿至少一个垂直于所述叶片的法线的方向具有反作用性能的几个平行悬臂弹簧。

23.如权利要求13、14或15所述的机电致动器结构，其特征在于，该结构还包括在所述驱动元件(14a-d)的驱动部分(28a-d)和要被移动的本体(22)上的齿状物。

24.如权利要求13、14或15所述的机电致动器结构，其特征在于，该结构还包括在所述驱动元件(14a-d)的驱动部分(28a-d)和要被移动的本体(22)之间的非固态材料。