DE112010006073T5

DE112010006073T5 - Elektromechanischer Motor

Info

Publication number: DE112010006073T5
Application number: DE112010006073T
Authority: DE
Inventors: Stefan Johansson; Niklas Snis
Original assignee: Piezomotor Uppsala AB
Current assignee: Piezomotor Uppsala AB
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2013-10-10
Also published as: WO2012087193A1

Abstract

Ein elektromechanischer Motor (10) umfasst einen zu bewegenden Gegenstand (20), zumindest einen elektromechanischen Aktuator (30) und eine Steuerelektronikeinheit (90). Der elektromechanische Aktuator weist ein Aktuatorelement(e) (40) mit einem elektromechanischen aktiven Werkstoff und Elektroden (44A–D, 45A–D) zum Erregen auf. Das Aktuatorelement wird durch ein erstes Ende (46) an der Abstützanordnung (50) und durch ein zweites Ende am Antriebspad (60) befestigt. Die Steuerelektronikeinheit (90) ist elektrisch mit den Elektroden des elektromechanischen Aktuators verbunden. Die Steuerelektronikeinheit stellt erste elektrische Signale bereit, um zu bewirken, dass sich das Antriebspad auf einer nicht-resonanten zweidimensionalen Bahn bewegt. Die Steuerelektronikeinheit ist zum Bereitstellen zweiter elektrischer Signale angeordnet, um beim elektromechanischen Aktuator zu bewirken, sich in einer mechanischen Biegemodus-Resonanz zu bewegen. Die Kontaktfläche (62) des Antriebspads ist an einem Abstand d von der Mittellinie vorgesehen, der größer als 0,1 Mikrometer mal ein Verhältnis zwischen dem Abstand, zwischen dem ersten und zweiten Ende und dem Hub des Biegemodus ist.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen elektromechanischen Motor und Antriebsverfahren dazu und insbesondere auf elektromechanische Motoren, die sowohl mit hohen Geschwindigkeiten als auch hoher Positioniergenauigkeit betriebsfähig sind.
Hintergrund
Üblicherweise sind piezoelektrische Motoren oder allgemeiner elektromechanische Motoren entweder konstruiert, um im Resonanzbereich zu arbeiten, um hohe Geschwindigkeiten, einen ruhigen Betrieb und eine gute Effizienz zu erreichen, oder konstruiert, um eine hohe Genauigkeitsbewegung durch zum Beispiel einen quasistatischen Betrieb zu erreichen. Es ist theoretisch möglich, hohe Genauigkeitsbewegungen auch mit Resonanzmotoren zu erreichen, aber die in der Praxis existierenden Lösungen weisen keinen stabilen oder einen instabilen Betrieb auf, wenn die Schrittweite auf Nanometer-Niveau reduziert wird. Die Probleme mit einer Modifikation eines Resonanzmotors zum Erreichen einer sehr genauen Positionierung sind in hohem Maße mit der Notwendigkeit für eine flexible Abstützung nahe bei den Knotenpositionen von Resonanzschwingungen verwandt. Mit diesen flexiblen Unterstützungen wird es außerordentlich kompliziert, Nanometer-Bewegungen zu steuern, weil die Flexibilität bei diesen Zusätzen typischerweise um mehrere Größenordnungen größer als die gewünschte Bewegungsgenauigkeit unter Berücksichtigung der häufig auftretenden Kraftveränderungen und der geringen Steife der Abstützungen sind. Eine Verwendung eines Schwingelements mit nur einem Kontaktelementbereich, auch als Antriebspad bezeichnet, macht die Situation ferner nur noch schwieriger. Um eine Bewegung auszuführen, muss das Antriebspad entweder einen gesteuerten Schritt oder einen gesteuerten Schlupf bezüglich einer Fläche des zu bewegenden Gegenstands ausführen. Die typische Rauheit des Antriebspads und bewegten Gegenstands in einem Ultraschallmotor liegt oft im Mikrometerbereich, weil der leistungsstarke Resonanzantrieb bei Kontakt eine wesentliche Abnutzung der Oberflächen rasch bewirkt. In der Praxis ist es unmöglich, wiederholte und gesteuerte Nanometerschritte auf einer Oberfläche mit einer Rauheit auszuführen, die mehr als drei Größenordnungen größer als die erforderliche Schrittweite ist.
Andererseits stellt ein Erhöhen der Antriebsfrequenz für einen quasistatischen Positioniermotor, der für eine Nano-Positionierung im Ultraschall- und/oder Resonanzfrequenzspektrum konstruiert ist, auch erhebliche Schwierigkeiten dar. Beispiele dieser Motoren können zum Beispiel in der US 6,066,911 , US 6,337,532 , US 6,798,117 und US 7,420,321 gefunden werden. Wenn ein Ultraschallbetrieb ohne Verwendung von mechanischen Resonanzen ausgeführt wird, kann die erhöhte Wärmeableitung leicht so hoch sein, dass sie die elektromechanischen aktiven Volumen zerstören könnten. Wenn außerdem die Frequenz der Spannungsstufen in die Nähe der Resonanzen kommt, sind diese Resonanzen oft äußerst komplex, und umfassen typischerweise Aktuatorelemente sowie Abstützungselemente. Das Ergebnis könnte sich leicht als Bewegungsmuster herausstellen, das entweder unbekannt oder für effiziente Bewegungen unbrauchbar ist. Auch wenn ein gesteuerter Resonanz- oder Nicht-Resonanz-Hochfrequenzbetrieb von quasistatischen Positioniermotoren erreicht wird, werden sich die Kontaktflächen rasch stark abnutzen und eine hochpräzise Positionierung unmöglich machen.
Zusammenfassung
Es ist daher eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Antriebsverfahren und elektromechanische Aktuatoren zu schaffen, die sowohl einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb als auch eine hochpräzise Positionierung ermöglichen.
Die obige Aufgabe wird durch Verfahren und Vorrichtungen gemäß den beigefügten unabhängigen Patentansprüchen erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigenen Ansprüche definiert. In einem ersten Aspekt umfasst ein elektromechanischer Motor allgemein einen zu bewegenden Gegenstand, zumindest einen elektromechanischen Motor, zumindest einen elektromechanischen Aktuator, einen Statorrücken, eine Federanordnung und eine Steuerelektronikeinheit. Der zu bewegende Gegenstand wird in einer Hauptbewegungsrichtung bewegt. Der zu bewegende Gegenstand weist eine interaktive Fläche parallel zur Hauptbewegungsrichtung auf. Der elektromechanische Aktuator weist zumindest ein Aktuatorelement und eine Abstützanordnung auf. Das Aktuatorelement weist Volumen eines elektromechanischen aktiven Werkstoffs und Elektroden zum Erregen der Volumen eines elektromechanischen aktiven Werkstoffs auf. Das Aktuatorelement wird nur durch ein erstes Ende an der Abstützanordnung befestigt. Das Aktuatorelement weist ein Antriebspad auf, das an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt, befestigt ist. Eine Aktuatorelementlänge wird definiert, um der Abstand zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende entlang einer Mittellinie zu sein, die zur interaktiven Fläche senkrecht ist. Die Abstützanordnung des elektromechanischen Aktuators ist am Statorrücken befestigt. Das Federelement ist zum Vorsehen einer Normalkraft zwischen dem zu bewegenden Gegenstand und dem elektromechanischen Aktuator angeordnet. Die Steuerelektronikeinheit ist elektrisch mit dem elektromechanischen Aktuator verbunden, um das Bereitstellen von elektrischen Signalen zu den Elektroden zu ermöglichen. Das Antriebspad ist mit einer Kontaktfläche zum mechanischen Zusammenwirken mit der interaktiven Fläche des zu bewegenden Gegenstands angeordnet, um eine Bewegung des zu bewegenden Gegenstands zu bewirken. Die Steuerelektronik ist zum Bereitstellen erster elektrischer Signale zu den Elektroden angeordnet. Die ersten elektrischen Signale zu den Elektroden bewirken, dass das Aktuatorelement das Antriebspad auf einer nicht-resonanten zweidimensionalen Bahn bezüglich der Abstützanordnung bewegt. Die Steuerelektronik ist ferner zum Bereitstellen zweiter elektrischer Signale zu den Elektroden angeordnet, wobei die zweiten elektrischen Signale zu den Elektroden beim elektromechanischen Aktuator bewirken, sich in einer mechanischen Biegemodus-Resonanz zu bewegen. Die mechanische Biegemodus-Resonanz weist einen Hub in der Hauptbewegungsrichtung auf. Zumindest ein Teil der Kontaktfläche des Antriebspads ist zumindest an einem Abstand d von der Mittellinie in der Hauptbewegungsrichtung vorgesehen. Der Abstand d ist 0,1-Mikrometer mal ein Verhältnis zwischen der Aktuatorelementlänge und dem Hub.
In einem zweiten Aspekt umfasst ein Verfahren zum Antreiben eines elektromechanischen Motors das Bereitstellen von ersten elektrischen Signalen zu den Elektroden in einem Aktuatorelement eines elektromechanischen Aktuators zum Erregen von Volumen eines elektromechanischen aktiven Werkstoffs im Aktuatorelement. Das Aktuatorelement ist von der Art, dass nur durch ein erstes Ende an einer Abstützanordnung befestigt ist. Das Aktuatorelement weist ein Antriebspad auf, das am zweiten Ende, gegenüber dem ersten Ende, befestigt ist. Das Antriebspad ist zur Zusammenwirkung mit einer interaktiven Fläche eines zu bewegenden Gegenstands in einer Hauptbewegungsrichtung, parallel zur interaktiven Fläche, angeordnet. Eine Aktuatorelementslänge ist definiert, um der Abstand zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende entlang einer Mittellinie zu sein, die zur interaktiven Fläche senkrecht ist. Zumindest ein Teil der Kontaktfläche des Antriebspads wird an zumindest einem Abstand d von der Mittellinie in der Hauptbewegungsrichtung vorgesehen. Der Abstand d ist 0,1 Mikrometer mal ein Verhältnis zwischen der Aktuatorelementlänge und dem Hub. Die ersten elektrischen Signale sind eingerichtet, um zu bewirken, dass das Aktuatorelement das Antriebspad auf einer nicht-resonanten zweidimensionalen Bahn bezüglich der Abstützanordnung bewegt. Das Verfahren umfasst auch das Bereitstellen von zweiten elektrischen Signalen zu den Elektroden. Diese zweiten elektrischen Signale sind eingerichtet, um beim elektromechanischen Aktuator zu bewirken, dass er sich in einer mechanischen Biegemodus-Resonanz bewegt. Die mechanische Biegemodus-Resonanz weist einen Hub in der Hauptbewegungsrichtung auf.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie ein und demselben elektromechanischen Motor ermöglicht, sowohl für eine Nano-Positionierung als auch für einen Betrieb im Ultraschallfrequenzbereich betrieben zu werden. Andere Vorteile und Ziele einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ferner zusammen mit den unterschiedlichen Ausführungsformen erörtert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen am besten durch Bezugnahme zur folgenden Beschreibung verstanden werden, die sich anhand der beigefügten Zeichnungen ergibt. Darin zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektromechanischen Motors;
2 eine schematische Darstellung der Bewegungen einer Ausführungsform eines Antriebspads während des hochpräzisen Positionierbetriebs;
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Bewegungen eines elektromechanischen Aktuators während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs;
4A bis E sind schematische Darstellungen von Ausführungsformen von elektromechanischen Aktuatoren, die Bewegungsbahnen in zwei Dimensionen erzeugen können;
5A bis F sind schematische Darstellungen von Ausführungsformen von Antriebspads;
6A bis B sind schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform eines elektromechanischen Motors;
7A bis C sind schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform eines elektromechanischen Motors; und
8 ein Ablaufdiagramm von Schritten einer Ausführungsform eines Antriebsverfahrens.
Detaillierte Beschreibung
Dieselben Bezugsziffern werden überall in der Zeichnung für ähnliche oder entsprechende Elemente verwendet.
Die offenbarten Lösungen sprechen die oben erwähnten Probleme an und schlagen vor, einen quasistatischen Positioniermotor zu modifizieren, der für eine Nano-Positionierung konstruiert ist, um einen Betrieb im Ultraschallbereich zu bewerkstelligen und vorzugsweise eine Resonanz zu verwenden, um eine Eingangsleistung und Erwärmung zu reduzieren.
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektromechanischen Motors 10. Der elektromechanische Motor 10 weist einen zu bewegenden Gegenstand 20, zumindest einen elektromechanischen Aktuator 30 und eine Federanordnung 80 auf. Der zu bewegende Gegenstand 20 wird in einer Hauptbewegungsrichtung 9 bewegt. Der zu bewegende Gegenstand 20 weist eine interaktive Fläche 22 auf, die zur Hauptbewegungsrichtung 9 parallel ist. Eine mechanische Zusammenwirkung zwischen dem elektromechanischen Aktuator 30 und dem zu bewegenden Gegenstand 20 wird zum Erzeugen der Bewegung verwendet.
Der elektromechanischen Aktuator 30 weist in dieser Ausführungsform zwei Aktuatorelemente 40 und eine Abstützanordnung 50 auf. Jedes Aktuatorelement 40 wird nur durch ein erstes Ende 46 an der Abstützanordnung 50 befestigt. Die Aktuatorelemente 40 bilden somit ”Beine”, die aus der Abstützanordnung herausstehen. Jedes Aktuatorelement 40 weist ein Antriebspad 60 auf, das am zweiten Ende 47 befestigt ist. Das zweite Ende 47 ist gegenüber dem ersten Ende 46 angeordnet. Eine Aktuatorelementlänge L kann als Abstand zwischen dem ersten Ende 46 und dem zweiten Ende 47 entlang einer Mittellinie 49, die zur interaktiven Fläche 22 senkrecht ist, definiert werden. Das Antriebspad 60 ist mit einer Kontaktfläche 62 zum mechanischen Zusammenwirken mit der interaktiven Fläche 22 des zu bewegenden Gegenstands 20 angeordnet, um eine Bewegung des zu bewegenden Gegenstands 20 zu bewirken. Mit Ausnahme gelegentlicher Kontakte mit dem zu bewegenden Gegenstand 20 über die Antriebspads, sind die Aktuatorelemente 40 mechanisch an keinem anderen Teil des elektromechanischen Motors als an der Abstützanordnung 50 befestigt und dadurch sind sie frei verformbar und erzeugen zum Beispiel relative Bewegungen zwischen unterschiedlichen Teilen der Aktuatorelemente 40 und der jeweiligen ersten Enden 46. Jedes Aktuatorelement 40 weist Volumen 42, 43 eines elektromechanischen aktiven Werkstoffs und Elektroden 44, 45 zum Anregen der Volumen 42, 43 des elektromechanischen aktiven Werkstoffs auf. Wenn geeignete elektrische Signale zu den Elektroden vorgesehen werden, verändern die Volumen 42, 43 des elektromechanischen aktiven Werkstoffs ihre Form, die Bewegungen von unterschiedlichen Teilen der Aktuatorelemente, zum Beispiel des zweiten Endes 47 und des Antriebspads 60, relativ zu den jeweiligen ersten Enden 46 bewirkt.
Die Federanordnung 80 ist in dieser Ausführungsform schematisch als Feder dargestellt, die den zu bewegenden Gegenstand 20 und den elektromechanischen Aktuator 30 zusammenhält. Die tatsächliche Federanordnung 80 kann irgendein Anordnungstyp sein, der zum Vorsehen einer Normalkraft N zwischen dem zu bewegenden Gegenstand 20 und dem elektromechanischen Aktuator 30 angeordnet ist. Diese Normalkraft N ist zum Erzeugen einer Bewegungsaktion notwendig.
Der elektromechanische Motor 10 weist auch einen Statorrücken 70 auf, an dem die Abstützanordnung 50 des elektromechanischen Aktuators 30 befestigt ist.
Der elektromechanische Motor 10 weist auch eine Steuerelektronikeinheit 90 auf, die elektrisch mit dem elektromechanischen Aktuator 30 verbunden ist, um ein Bereitstellen von elektrischen Signalen zu den Elektroden 44A bis D, 45A bis D, wie durch die Verbindungen 91 dargestellt, zu ermöglichen. Diesen Elektroden 44A bis D, 45A bis D ist es dadurch möglich, sich zumindest in Gruppen mit individuellen Spannungen zu verbinden. Wenn erforderlich, könnten jedoch die Elektroden verbunden werden, um dieselbe Spannung aufzuweisen. Typischerweise, aber nicht notwendig, wird eine Hälfte der Elektroden mit einem Erdpotential verbunden. Wie in einer bevorzugten Ausführungsform später nachstehend erörtert wird, sind zumindest einige der Elektroden verbunden, um eine Messung einer Elektrodenspannung zu ermöglichen, wenn sie nicht aktiv verwendet werden. So können Aktuatoren auch als Sensoren verwendet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der elektromechanische aktive Werkstoff als piezoelektrisches Material vorgesehen und die Elektroden sind angeordnet, um eine elektrische Potentialdifferenz zwischen Elektroden auf beiden Seiten eines Volumens des piezoelektrischen Materials vorzusehen. Das elektrische Feld, das so über das Material aufgebaut wird, wird geometrische Formänderungen hervorrufen. Abhängig vom Design können die Formänderungen verschiedenartig sein. Andere elektromechanische aktive Materialien, wie zum Beispiel elektrostriktives und antiferroelektrisches Material, kann ebenfalls zu diesem Zweck verwendet werden, und dann mit geeigneten elektrischen Signalen auf die Elektroden aufgebracht werden. Diese Materialien können sowohl einkristallin als auch polykristallin oder amorph sein. Die Elektrodenanordnungen können auf der Außenseite des zu erregenden Materialvolumens vorgesehen werden. In besonderen Ausführungsformen können jedoch Techniken verwendet werden, um die notwendigen Spannungen, die angelegt sind, zu reduzieren. Die Anwendung von Mehrschichttechniken ist beim Stand der Technik ebenfalls bekannt.
Der elektromechanische Motor der vorliegenden Ausführungsform ähnelt in vielen Bereichen den elektromechanischen Schrittmotoren des Standes der Technik. Jedoch gibt es sehr deutliche Unterschiede. In der vorliegenden Ausführungsform weist das Antriebspad 60 eine Kontaktfläche 62 auf, die in etwa die Hälfte des zweiten Endes 47 des Aktuatorelements 40 abdeckt, und der Mittelpunkt dieser Kontaktfläche 62 ist nicht auf dem Aktuatorelement zentriert. Wie nachstehend weiter erörtert wird, ermöglicht eine Kontaktfläche 62, die sich zum Mittelpunkt oder in die Nähe des Mittelpunkts des Elements erstreckt, eine Nanometer-Positionierung in der gleichen Weise zu erreichen, wie sie bei den Motoren des Standes der Technik ausgeführt wird. Mit anderen Worten, zumindest ein Teil der Kontaktfläche 62 wird in der Nähe der Mittellinie 49 des Aktuatorelements 40 vorgesehen. Diese Nano-Positionierung kann durch Aktuatorelemente erreicht werden, die erregt werden können, um das jeweilige Antriebspad durch geeignete elektrische Signale in zwei unterschiedliche Richtungen, zum Beispiel longitudinal und seitwärts, relativ zu einer gemeinsamen Abstützung, zu bewegen. Mit anderen Worten, das Antriebspad 60 wird auf einer nicht-resonanten zweidimensionalen Bahn relativ zur Abstützanordnung 50 bewegt. Dies wird hier nachstehend detailliert weiter erörtert werden.
2 ist eine schematische Darstellung der Bewegungen einer Ausführungsform eines Antriebspads während eines hochpräzisen Positionierbetriebs. Die elektromechanischen aktiven Volumen des Aktuatorelements werden durch die Elektroden erregt. Zum Zweck einer Nano-Positionierung wird die Steuerelektronik zum Bereitstellen von elektrischen Signalen eines ersten Typs zu den Elektroden angeordnet. Diese elektrischen Signale zu den Elektroden sind so eingerichtet, dass sie beim Aktuatorelement bewirken, das Antriebspad auf einer nicht-resonanten zweidimensionalen Bahn bezüglich der Abstützanordnung zu bewegen. Beispiele von diesen Spannungen und geeigneten Elektrodenanordnungen werden nachstehend erörtert. Für zum Beispiel eine bimorphe Struktur, wo sich zwei unabhängige erregbare Seiten erstrecken und jede entlang der Länge des Aktuatorelements angeordnet ist, wird ein typisches Bewegungsmuster des Mittelteils des Antriebs innerhalb eines rautenförmigen Bewegungsbereichs 100 mit einem festgelegten Spannungsbereich erhalten. Innerhalb dieses rautenförmigen Bewegungsbereichs 100 kann jeder Typ einer Bewegungsbahn durch Vorsehen geeigneter Spannungssignale erhalten werden. Der rautenförmige Bewegungsbereich 100 weist eine Ausdehnung in der Hauptbewegungsrichtung 9 sowie in die Längsrichtung 8 des Aktuatorelements 40 auf.
In der vorliegenden Ausführungsform weist das Antriebspad eine asymmetrische Form auf, wo die Kontaktfläche 62 ein Ende 64, das im Wesentlichen an der Kante des Aktuatorelements 40 vorgesehen ist, und ein weiteres Ende 66 auf, das im Wesentlichen in der Mitte entlang der Mittellinie 49 vorgesehen ist. Mit anderen Worten, zumindest ein Teil der Kontaktfläche 62 wird in der Umgebung der Mittellinie 49 vorgesehen. Mit dem Biegen der bimorphen Struktur werden auch die rautenförmigen Bereichsbewegungen durch ein Schwenken des Antriebspads 60 begleitet. Um zu vermeiden, dass der Teil der Kontaktfläche 62, der nahe zur Kante des Aktuatorelements 40 ist, die Bewegung stört, kann das Aktuatorelement 40 in dieser Ausführungsform durch ein versetztes Schwenken des Aktuatorelements und somit der Kontaktfläche 62 angetrieben werden. Mit einem Aktuatorelement 40, das ein außermittiges Pad aufweist, das zum Beispiel nach links, wie in 2, zentriert ist, kann sich die Antriebspadmitte 66 innerhalb des linken Teils 101 des rautenförmigen Bereichs 100 bewegen, und zwar ohne Risiko, dass der linke Teil des Antriebspads 60 in Kontakt mit einem flachen ebenen, zu bewegenden Gegenstand in Kontakt kommt. Eine Bewegungsbahn 102 könnte ein Beispiel sein, das während dieser Zustände verwendet werden kann. Die Schrittlänge wird sich auf die Hälfte verringern, aber eins ist sichergestellt, dass nur die Kante zwischen dem mittleren Ende 66 der Kontaktfläche 62 für ein hochpräzises Positionieren verwendet wird. Bei diesen Umständen ist ohnehin eine große Schrittlänge wahrscheinlich nicht der bedeutendste Parameter.
Beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist es möglich, wie im Hintergrund erwähnt, die Schrittfrequenz zu erhöhen, die für ein hochpräzises Positionieren verwendet wird. Jedoch sind diese Bewegungsmuster typischerweise nicht sehr leistungsstark. Wenn die Frequenz außerdem nahe zu unterschiedlichen mechanischen Resonanzfrequenzen der Aktuatoranordnung kommt, können viele verschiedene Verhaltensarten auftreten. Bei Hochgeschwindigkeitsbewegungen muss jedoch der Kontakt zwischen den Aktuatorelementen und dem zu bewegenden Gegenstand nicht unter allen Umständen aufrecht erhalten werden. Es wird in bestimmten Konfigurationen sogar bevorzugt, dass alle Aktuatorelemente den Gegenstand für kürzere Zeitperioden verlassen, um eine geringe Reibungsbewegung zu ermöglichen. Was jedoch von den Aktuatorelementen verlangt wird, ist eine Bewegungskomponente in der Hauptbewegungsrichtung sowie in die Richtung, die senkrecht zur interaktiven Fläche des zu bewegenden Gegenstandes ist, vorzusehen.
Eines der Erkenntnisse, die zu der vorliegenden Erfindung führen, ist die, dass eine Biegebewegung eines Aktuatorelements zu etwas unterschiedlichen Bewegungsbahnen für die verschiedenen Teile des Aktuatorelements führen wird. 3 ist eine schematische Darstellung der Bewegung in einer Ausführungsform eines elektromechanischen Aktuatorelements 40 während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs. Die unterbrochenen Linien zeigen die Position des elektromechanischen Aktuatorelements 40 (stark übertrieben) an Biegepositionen an. Das Biegen eines Aktuatorelements 40 wird zu einer Drehung der Aktuatorelementspitze führen, wo das Antriebspad 60 befestigt ist. Es ist festzustellen, dass ein Punkt an der Kontaktfläche 62 des Antriebspads, der in der Umgebung der Mittellinie 49 angeordnet ist, sich in der Hauptbewegungsrichtung 9 im Wesentlichen hin und her bewegt, wie durch den Pfeil 104 dargestellt. Jedoch weist ein Kantenpunkt 65, neben einer Bewegungskomponente, die zur Hauptbewegungsrichtung 9 parallel oder antiparallel ist, eine Bewegungskomponente in die Längsrichtung 8 des Aktuatorelements 40 auf, wie durch den Pfeil 105 ersichtlich. Wenn diese Komponente groß genug ist, kann der Kantenpunkt 65 verwendet werden, um eine Kraft auf die interaktive Fläche des zu bewegenden Gegenstands nicht nur in der Hauptbewegungsrichtung, sondern auch quer zur Hauptbewegungsrichtung aufzubringen. Durch Verwendung der Massenträgheit des zu bewegenden Gegenstands und durch Anpassen der aufgebrachten Normalkraft kann das Aktuatorelement 40 zum Vorsehen von Resonanzbewegungen verwendet werden. Wenn das Aktuatorelement 40 mit ausreichend hoher Frequenz angetrieben wird, wird es die Normalkraft, die den Gegenstand gegen das Antriebspad 60 drückt, nicht schaffen, die mechanischen Komponenten um mehr als Bruchteile von Mikrometern zu verschieben und das Antriebspad 60 wird sich vom Gegenstand lösen, wenn sich das Antriebspad 60 abwärts bewegt. Es ist manchmal besser, die Statoreinheit gegen den zu bewegenden Gegenstand zu drücken, weil die Masse des Stators oft größer ist und die Bewegung der mechanischen Komponenten, die durch Normalkräfte zusammengedrückt werden, infolge der Trägheit reduziert wird. Die Antriebsfrequenz, die Massen und Normalkräfte sollten jedoch abgestimmt werden, um die beste Leistungsfähigkeit für die beabsichtigte Anwendung zu erreichen. Der Gegenstand kann somit eine Geschwindigkeit mit einer Komponente in die Längsrichtung 8 des Aktutatorelements 40 vorgeben. Wenn sich das Aktuatorelement 40 zurückbiegt, wird die Massenträgheit des Gegenstands den Kontakt zwischen dem Gegenstand und dem Aktuatorelement 40 lösen und das Aktuatorelement 40 kann sich zurückbiegen und für einen nächsten Anstoß bereit sein.
Dieses Verhalten wird besonders interessant, wenn eine mechanische Resonanz des Aktuatorelements für die Biegemodus-Schwingung erricht wird, weil die Bewegung mit geringer Energieaufnahme erreicht werden kann. Mit anderen Worten, die Steuerelektronik wird ferner zum Erreichen von Hochgeschwindigkeitsbewegungen zum Bereitstellen zweiter elektrischer Signale zu den Elektroden angeordnet. Die zweiten elektrischen Signale zu den Elektroden bewirken beim elektromechanischen Aktuator, sich in einer mechanischen Biegemodus-Resonanz zu bewegen. Die mechanische Biegemodus-Resonanz weist einen Hub in der Hauptbewegungsrichtung 9 auf. Die interaktive Fläche des Gegenstands sollte sich im Prinzip nicht weiter von der Spitzenposition als um die Hälfte des Gesamthubs der Antriebspadkante, die mit der Stange in Kontakt ist, in die Richtung, die senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung ist, abwärts bewegen, um zu vermeiden, dass das Antriebspad mit dem Gegenstand in der Nähe der Mittellinie in Kontakt kommt. Die mechanische Abnutzung dieses zentralen Teils kann daher vermieden werden, womit es möglich ist, eine Genauigkeit aufrecht zu erhalten, wenn der Motor für ein Nanometer-Positionieren verwendet wird. Das Antriebspad 60 wird somit im Wesentlichen auf der Kante abgenutzt, die mit dem zu bewegenden Gegenstand in Kontakt ist.
Gemäß der Erfahrung wurde herausgefunden, dass eine zuverlässige typische Hochgeschwindigkeitsbewegung erreicht werden kann, wenn das Anheben des zu bewegenden Gegenstands in die Richtung der Länge des Aktuatorelements größer als 0,1 Mikrometer wird. Der Hub der Biegung des Aktuatorelements muss somit ausreichend sein und der Abstand zwischen der Kontaktkante 65 und der Mittellinie 49 muss groß genug sein. Dazu wird zumindest ein Teil der Kontaktfläche des Antriebspads zumindest an einem Abstand d von der Mittellinie 49 in der Hauptbewegungsrichtung 9 vorgesehen. Der Abstand d ist zumindest 0,1 Mikrometer mal ein Verhältnis zwischen der Aktuatorelementlänge L und dem Hub. So kann ein effizienter ruhiger und Hochgeschwindigkeitsbetrieb durch die Aktuatorelemente, die bei Biegungsresonanz angetrieben werden, erreicht werden.
In dieser besonderen Ausführungsform ist das Antriebspad außerdem bezüglich einer Ebene, die zur Hauptbewegungsrichtung senkrecht ist, asymmetrisch und geht durch die Mittellinie hindurch. Dieses Design ist für Hochgeschwindigkeitsbewegungen in die Richtung weg vom Resonanz-Antriebsende der interaktiven Fläche vorgesehen.
In der Ausführungsform von 1 weist der elektromechanische Aktuator 30 zwei Aktuatorelemente 40 auf, die nacheinander in der Hauptbewegungsrichtung 9 positioniert sind. Dies dient zum Ausführen einer zweidirektionalen Bewegung. Die Antriebspads 60 sind spiegelbildlich bezüglich des Mittelpunkts der Statoreinheit zusammengesetzt. Ein Aktuatorelement wird zum Hochgeschwindigkeitsantreiben in eine Richtung und das andere für die andere Richtung verwendet. Zusammen können sie dann auch ein hochpräzises Positionieren ausführen. Es ist auch vorteilhaft, Antriebspunkte zu haben, die so nahe zueinander wie möglich sind. Somit ist in dieser Ausführungsform das Antriebspad 60 von jedem Aktuatorelement 40 bezüglich einer Ebene 48, die zur Hauptbewegungsrichtung 9 senkrecht ist, asymmetrisch und geht durch die Mittellinie 49 hindurch. Ein Ende 64 von einem Antriebspad 60, das am größten Abstand von der jeweiligen Mittellinie 49 angeordnet ist, ist außerdem einem Ende 64 des anderen Antriebspads 60 zugewandt, das am größten Abstand von der jeweiligen Mittellinie 49 angeordnet ist.
Um das Risiko zu reduzieren, dass der zu bewegende Gegenstand mit dem Antriebspad des anderen Aktuatorelements, das typischerweise inaktiv ist, in Kontakt kommt, sind die Aktuatorelemente und die Antriebspad-Kontaktkanten in einer besonderen Ausführungsform sehr nahe zueinander angeordnet. So kann ein ziemlich großer Winkelfehler des elektromechanischen Aktuators 30 bezüglich des zu bewegenden Gegenstands 20 akzeptiert werden, bevor das andere Antriebspad die Kontaktfläche berührt. Um ferner zu vermeiden, dass der mittlere Teil des Antriebspads mit dem Gegenstand während eines Resonanzbetriebs in Kontakt kommt, kann das inaktive Aktuatorelement unter Verwendung einer geeigneten Vorspannung an das Aktuatorelement in Längsrichtung zurückgezogen werden. Das aktive Aktuatorelement kann auch durch Anlegung geeigneter Spannungen an die Elektroden geschwenkt werden, so dass der mittlere Teil des Antriebspads immer niedriger sein wird als der Kantenteil des Antriebspads während der Resonanzschwingung. Typischerweise wird dies die mögliche Resonanzschwingungsamplitude auf die Hälfte des maximalen Werts verringern, aber das Antreiben kann reibungsloser ausgeführt werden und die Einwirkung der Antriebspadkante gegen den zu bewegenden Gegenstand wird beim Wiederherstellen eines Kontakts minimiert. Der Motor muss konstruiert und gebaut werden, um eine Steuerung der Massen der Teile zu ermöglichen, die sich infolge der Motornormalkraft bewegen.
Der Vorteil, ein Motordesign gemäß der obigen Ausführungsformen aufzuweisen, ist, dass die hohe mechanische Abnutzung, die während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs in der Biegemodus-Resonanz vorhanden ist, beim größten Abstand von der Mittellinie um das Ende des Antriebspads herum konzentriert ist. Wenn dann in die hochpräzise Positionierung geschaltet wird, ist die mittlere Kante des Antriebspads weiterhin glatt und daher für Positioniertätigkeiten im unteren Nanometerbereich geeignet.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, um Bewegungen in zwei Dimensionen zu erreichen. 4A bis E stellen unterschiedliche Lösungsvorschläge dar. 4A stellt zwei Aktuatorelemente mit einer bimorphen Struktur dar, wo jede Hälfte durch Elektroden erregt wird, die in Ebenen parallel zur interaktiven Fläche des zu bewegenden Gegenstandes vorgesehen sind. Unter Verwendung dieser Elektroden kann eine d₃₃-Erregung des piezoelektrischen Materials verwendet werden, um eine Ausdehnung in Längsrichtung 8 zu erreichen. Diese Elektrodenkonfiguration ist bei Anwendungen sehr nützlich, wo der elektromechanische Aktuator als monolithische Einheit hergestellt ist. Die Elektroden können auch entlang der Länge der Aktuatorelemente positioniert werden. Diese eine Ausführungsform ist in 4B mit den Elektroden, die zur Hauptbewegungsrichtung senkrecht ist, dargestellt. Dort wird die d₃₁-Erregung des piezoelektrischen Materials verwendet. In 4C ist eine Ausführungsform mit einer d₃₁-Erregung und mit den Elektroden, die parallel zur Hauptbewegungsrichtung sowie senkrecht zur interaktiven Fläche ausgerichtet sind, dargestellt.
Bei Verwendung eines Aufbaus mit doppelten Bimorphen, wie zum Beispiel in der Ausführungsform von 4D, können zusätzliche Vorteile erreicht werden. Die Volumen der elektromechanischen Materialien 42A–B, 43A–B können Elektroden 44C–F, 45C–F aufweisen, die für eine d₃₁- oder d₃₃-Aktivierung analog zu den Anordnungen in 4A bis C angeordnet sind. Zwei Bimorphe werden somit erzeugt, um ein Ende mit dem anderen Ende zu verbinden. Die Biegemodus-Resonanz kann mit den oberen und unteren Bimorphen, die parallel verbunden sind, zum Beispiel, dass eine Seite jeweils gestreckt ist, betrieben werden. Während des hochpräzisen Betriebs können die oberen und unteren Bimorphe entgegengesetzt zu einander angetrieben werden, zum Beispiel durch Verbinden der Elektroden 44C mit 45E, 44D mit 45F, 45C mit 44E und 45D mit 44F. Diese Verbindung führt zu S-förmigen Hüben des Aktuatorelements. So kann die Kontaktfläche 62 des Antriebspads 60 immer parallel zur interaktiven Fläche bleiben. Durch Aufweisen eines sehr kleinen Schwenkens des Aktuatorelements, entweder durch elektrisches Erregen der Aktuatorelemente mit einer Offsetspannung oder durch ein etwas keilförmiges Antriebspad, können die gesamten rautenförmigen Bewegungsbereiche und dadurch eine große Schrittweite verwendet werden.
Eine Kombination von einer d₃₁- oder d₃₃- und einer d₁₅-Erregung (eine Schuberregung), wie in 4E dargestellt, kann auch zum Antreiben eines Antriebspads auf einer zweidimensionalen Bahn verwendet werden. Jedoch sind diese Lösungen allgemein nicht sehr herstellfreundlich.
Es ist auch möglich, unter Verwendung einer unimorphen Struktur eine Feinpositionierung zu erreichen. Durch Erregung von nur einer Seite eines elektromechanischen Elements, weist eine Bewegung eine Komponente in der Hauptbewegungsrichtung sowie in die Richtung der Normalen der interaktiven Fläche des zu bewegenden Gegenstands auf. Die andere Seite kann entweder Elektroden ohne Spannungsdifferenzen oder ein Volumen ohne Elektroden aufweisen. Durch Aufweisen dieser zwei Elemente mit transversal ausgerichteten Bewegungsbahnen kann ein phasenverschobener Betrieb zu einer gesteuerten Bewegung führen, wo der Kontakt mit dem zu bewegenden Gegenstand zwischen den beiden Elementen abwechselnd ist. Durch ein geeignetes Design der Übertragungseigenschaften, kann jedes Element während einer Bewegung in der Hauptbewegungsrichtung, aber nicht während der Rückkehrrichtung, in Kontakt sein. Somit wird eine schrittweise Bewegung erreicht.
5A bis C sind schematische Darstellungen von weiteren Ausführungsformen unterschiedlicher Antriebspads. In 5A ist zumindest ein Teil des Antriebspads elastisch. Dies wird hier durch Vorsehen eines Schlitzes 67 zwischen dem zweiten Ende 47 des Aktuatorelements 40 und dem äußeren Teil des Antriebspads 60 erreicht. Diese Elastizität ist typischerweise vorteilhaft, wenn ein Betrieb bei hohen Frequenzen und Resonanzen erfolgt. In 5B ist das Antriebspad 60 stattdessen in zwei Teile aufgeteilt. Ein Kantenteil 68 wird durch ein Material, das von Natur aus etwas elastisch ist, und ein mittleres Teil 69 durch ein steiferes Material hergestellt. Die Steifigkeit des Antriebspads ist typischerweise vorteilhaft, wenn eine hochpräzise Positionierung ausgeführt werden soll. Mit anderen Worten, das Antriebspad ist in einem Ende elastisch, das am größten Abstand d von der Mittellinie angeordnet ist, und in einer Umgebung der Mittellinie 49 steif. Um die Anhebungsaktion des Aktuatorelements während der Biegeresonanz zu erhöhen, kann der Abstand d vergrößert werden. Dies ist in 5C dargestellt, wo das Antriebspad 60 außerhalb der Seite des Aktuatorelements 40 in Hauptbewegungsrichtung 9 oder entgegengesetzt dazu hervorsteht.
Während eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs ist auch die interaktive Fläche des zu bewegenden Gegenstands zur Abnutzung ausgesetzt. Diese Abnutzung kann auch jeden nachfolgenden Feinpositionierungsbetrieb beeinflussen. Durch Konstruieren geeigneter Antriebspads können diese Effekte zumindest teilweise gemildert werden. In 5D ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Antriebspads 60 zur reduzierten Abnutzung von oben und von der Seite sowie auch die interaktive Fläche 22 des zu bewegenden Gegenstands 20 dargestellt. Die Kanten 65 zwischen der Seite 64 und der Kontaktfläche 62 werden beim Betrieb bei hohen Frequenzen und Resonanzen verwendet. Eine Kante 63 in der Mitte des Antriebspads in der Richtung, die zur Hauptbewegungsrichtung 9 senkrecht ist, wird stattdessen an einem kürzeren Abstand von der Mittellinie 49 vorgesehen und dieses Teil des Antriebspads wird dann nicht während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs mitmachen. Der Vorteil des Antriebspads 60 in 5D ist, dass eine Abnutzung bei der interaktiven Fläche 22 des bewegten Gegenstands auf zwei Bereiche 23 konzentriert ist, die dem Kontakt zwischen der interaktiven Fläche 22 des bewegten Gegenstands 20 und den Kanten 65 des Antriebspads 60 entsprechen, wobei infolgedessen ein zentraler Bereich 21 auf der interaktiven Fläche 22 des bewegten Gegenstands 20 aufrecht erhalten wird, der vollständig abnutzungsfrei ist. Dieser abnutzungsfreie Bereich garantiert eine glatte Fläche der interaktiven Fläche 22 des für eine hochpräzise Positionierung zu verwendenden bewegten Gegenstands 20.
Die Kontaktkanten 65 für einen Hochfrequenzbetrieb können auch auf andere Weise eingerichtet werden. Ein Auswechseln der Kanten 65 und 63 kann zum Beispiel nützlich sein, wie in 5E dargestellt. In diesem Fall wird der Hochgeschwindigkeitsbetrieb gegenüber dem mittleren Teil der interaktiven Fläche 22 des bewegten Gegenstands 20 ausgeführt.
In 5F ist eine noch weitere Ausführungsform eines Antriebspads 60 gemäß derselben Art von Ideen präsentiert. Hier wird auch die Kante 66, die für einen Feinpositionierungsantrieb verwendet wird, in zwei Abschnitte geteilt, so dass nur ein mittlerer Kreis während einer Feinpositionierung aktiv wird, und danach mit dem abnutzungsfreien mittleren Teil 21 des Gegenstands 20 zusammenwirkt. Diese Ideen zum Verwenden verschiedener Teile auf der interaktiven Fläche 22 des Gegenstands 20 für verschiedene Antriebstypen können durch die geometrische Form des Antriebspads auf verschiedene andere Arten, durch Verschachtelung von Antriebskanten und Nicht-Antriebskanten, für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und für einen Feinpositionierungsbetrieb in eine Richtung, die senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung ist, in einer geeigneten Weise ausgeführt werden. Mit anderen Worten, eine Kante eines Endes des Antriebspads 60, die am größten Abstand d von der Mittellinie 49 angeordnet ist, erstreckt sich um weniger als eine Breite des Antriebspads 60 in eine Richtung, die parallel zur interaktiven Fläche und senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung 9 ist.
6A ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines weiteren elektromechanischen Motors 10. Diese Ausführungsform eines elektromechanischen Motors 10 umfasst eine Vielzahl von Aktuatorelementen 30, die nacheinander in der Hauptbewegungsrichtung 9 positioniert sind. Eine Verwendung einer Vielzahl von Aktuatorelementen macht das Risiko für einen versehentlichen Kontakt des Objekts mit irgendeinem inaktiven Antriebspad sehr gering. Diese Aktuatorelemente sind vorzugsweise so weit voneinander wie möglich angeordnet. In der einfachsten Ausführungsform mit mehr als einem Aktuatorelement (nicht dargestellt), die nur zwei elektromechanische Aktuatoren aufweisen, ist es vorteilhaft, die elektromechanischen Aktuatoren gut voneinander getrennt anzuordnen.
Die Verwendung von Aktuatorelementen auf beiden Seiten des zu bewegenden Gegenstands verbessern auch die Stabilität, zum Beispiel in einer Jochanordnung, siehe auch 6B. Die Aktuatorelemente 40 auf der gegenüberliegenden Seite des zu bewegenden Gegenstands 20 werden dann typischerweise in derselben Phase tätig sein, das heißt Aktuatorelemente 40, die entlang der Mittellinie 49 ausgerichtet sind, werden mit dem zu bewegenden Gegenstand in etwa zur gleichen Zeit einen Kontakt herstellen. Für bestimmte Anwendungen in anderen Ausführungsformen kann es jedoch manchmal auch günstig sein, die Aktuatorelemente 40 phasenverschoben zu betreiben.
In einer Ausführungsform, wie zum Beispiel in 6A, die eine relativ große Anzahl von Aktuatorelementen aufweist, kann es vorteilhaft sei, die anzuordnende Steuerelektronik zum Bereitstellen der zweiten elektrischen Signale zu den Elektroden der jeweiligen Aktuatorelemente, die relativ zueinander phasenverschoben sind, vorzusehen. Der zu bewegende Gegenstand wird in dieser Ausführungsform bei einer relativ konstanten Höhe gehalten, weil immer irgendein Aktuatorelement in Kontakt oder fast in Kontakt mit dem Gegenstand sein wird. Die Antriebskanten werden voneinander phasenverschoben sein, wie zum Beispiel durch die Punkte, die die Position der Antriebspadkante 65 zu einem festgelegten Zeitpunkt darstellt, und die Kurve 109 in 6A dargestellt. Die Position in Richtung 8 der Aktuatorelementlänge zu diesem festgelegten Zeitpunkt unterscheidet zwischen den unterschiedlichen Aktuatorelementen.
7A bis C sind schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform eines elektromechanischen Motors 10. Das Aktuatorelement 40 ist hier an einer Abstützanordnung 50 befestigt, die einen Balken 51 aufweist, der am Statorrücken 70 starr befestigt ist. Der Balken 51 ist relativ starr, wobei eine solide Abstützung geschaffen wird, wenn relativ kleine Bewegungen des Aktuatorelements ausgeführt werden. Der Balken ist auch relativ steif gegenüber Drehbewegungen, die zum Beispiel durch Schwenken des Aktuatorelements hervorgerufen werden. Der Balken 51 ist jedoch in Richtung 8 der Aktuatorelementlänge elastisch.
Wenn die mechanische Abstützung eines einzelnen Aktuatorelements mit einem flachen Antriebspad flexibler ausgeführt ist, ist es möglich, auch das Mitschwingen der mechanischen Abstützung zu verwenden, um die Längsschwingungen zu verstärken. Als Beispiel dafür dient das Aktuatorelement von 7A bis C. Dort gibt es zumindest in diesem Fall zwei unterschiedliche Antriebsarten, die unabhängig gesteuert werden können. Wenn das Aktuatorelement ein Bimorph ist, wird es möglich sein, Schwenkbewegungen des Antriebspads, das heißt Bewegungen in die Antriebsrichtungen, ohne Aktivieren irgendeines Längsmodus, zu erzeugen, wie in 7B dargestellt. Andererseits, wenn das gesamte Aktuatorelement in Längsrichtung, das heißt in Richtung der Aktuatorelementlänge, zusammengezogen oder verlängert wird, ist es möglich, eine Längsschwingung zu erzeugen, wo das Aktuatorelement 40 und der Balken 51 zusammen schwingen, siehe 7C. Mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen zwischen den beiden Phasen eines bimorphen Elements ist es möglich, sowohl Längs- als auch Biegeschwingungen gleichzeitig zu steuern. Das Antriebspad kann entlang einer elliptischen Bahn bewegt werden oder sich einfach linear in einer Richtung zwischen der Längs- und Antriebsrichtung bewegen. Im letzteren Fall werden die Kanten der flachen Antriebspads für einen Hochgeschwindigkeits-Resonanzantrieb verwendet werden und der mittlere Bereich des Antriebspads wird dieselbe Oberflächenrauheit wie der Ursprüngliche aufweisen. Eine hochpräzise Bewegung kann daher in der gleichen Weise, wie sie vorher beschrieben wurde, ausgeführt werden.
Mit anderen Worten, die Steuerelektronik ist zum Bereitstellen der zweiten elektrischen Signale zu den Elektroden zum Bewirken einer Zusammenziehung und Erweiterung des Aktuatorelements in die Richtung der Aktuatorelementlänge mit derselben Frequenz wie die Biegemodus-Resonanzfrequenz angeordnet, die die Biegemodus-Resonanz überlagert, aber davon phasenverschoben ist. Die Abstützanordnung 50 ist eingerichtet, um einer Anordnung, die aus dem Aktuatorelement 40 und der Abstützanordnung 50 besteht, eine Resonanzfrequenz in der Umgebung der Biegemodus-Resonanzfrequenz für eine Bewegung entlang der Richtung 8 der Aktuatorelementlänge zu geben.
Im Prinzip wird es möglich sein, einen Positioniermotor mit nur einem Aktuatorelement zu bauen. In einer Ausführungsform weist das Aktuatorelement ein Antriebspad auf, das an beiden Antriebselementkanten dicker ist. Es ist möglich, auch ein Antriebspad zu verwenden, das eine gleiche Dicke über das gesamte Antriebselement aufweist. Um in eine Richtung anzutreiben, wird das Aktuatorelement zuerst zu einer Seite geschwenkt und danach mit Amplituden vibriert, die nur einen Kontakt mit der Antriebspadseite ermöglichen, die sich am weitesten in Längsrichtung erstrecken, das heißt die Kante des Antriebspads, die mit dem Gegenstand in Kontakt ist, wenn das Aktuatorelement geschwenkt, aber nicht vibriert. Um in die andere Richtung anzutreiben, wird das Aktuatorelement zuerst in die andere Richtung geschwenkt und danach vibriert. Wie verständlich ist, wird dieser Mechanismus nur funktionieren, wenn beide der Antriebspadkanten in etwa parallel mit der Gegenstandskontaktfläche ausgerichtet sind. Das Aktuatorelement muss typischerweise im Motorgehäuse mit einigen Mitteln befestigt werden, die eine Selbstausrichtung ermöglichen, weil die externen Kräfte oder Drehmomente in vielen Fällen den Gegenstand in Bezug auf die ursprüngliche Ausrichtung der Antriebspad-Kontaktkanten drehen können. Die einfachste Lösung ist ein Vorsehen einer Kunststofffolie, die weiter unten dargestellt ist.
Um ein Nanometer-Positionieren im großen Bereich mit einem Antriebspad zu erreichen, das an den Elementkanten dicker ist, ist es notwendig, entweder eine Haft-Gleitpositionierung oder eine Hochgeschwindigkeitszurückholung des Antriebspads vom Gegenstand zu verwenden. Eine feine Nanometer-Positionierung im geringen Bereich wird typischerweise nur mit einem kleinen Winkelschwenken ausgeführt, um ein Verwenden der abgenutzten Kanten des Antriebspads zu vermeiden. Die Abnutzung des Antriebspads wird auf die Kanten beschränkt und so lange keine zu umfassende Abnutzung auftritt, wird der mittlere Teil des Antriebspads die Anfangsrauheit beibehalten. Ein Haft-Gleit-Positionieren wird durch eine geringe Geschwindigkeitsbewegung des Aktuatorelements in Antriebsrichtung ausgeführt und wenn der maximale Schwenkbereich erreicht ist, wird sich das Aktuatorelement schnell in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Diese Bewegung sollte schnell genug sein, um ein Gleiten des Antriebspads von der Gegenstandskontaktfläche auszuführen, und eine neue Bewegung im geringen Bereich mit hoher Drehzahl kann relativ zu dieser neuen Position ausgeführt werden.
Das Hochgeschwindigkeits-Zurückholungsverfahren ist ähnlich. Eine Positionierung im geringen Bereich wird durch eine geringe Geschwindigkeitsbewegung ausgeführt und wenn der maximale Schwenkbereich erreicht ist, wird das Aktuatorelement in Längsrichtung zum gleichen Zeitpunkt zurückgeholt, wie es in Antriebsrichtung zurückgeholt wird. Dies führt zu einem kleinen Schritt und eine neue Bewegung im geringen Bereich mit hoher Drehzahl kann relativ zu dieser neuen Position ausgeführt werden. Es gibt natürlich auch Zwischenverfahren zwischen dem Haften-Gleiten und Hochgeschwindigkeits-Zurückholung.
Piezoelektrische Motoren mit einer Positionierkapazität im Nanometerbereich benötigen typischerweise eine Ebenheit der Antriebspads im Sub-Mikrometerbereich. Dies erfordert fortschrittliche Läppverfahren, die sowohl die Kosten erhöhen als auch komplexe Anforderungen an die Montage und das Design der Motoreinheit hinzufügen. Um die Größe der Motoren zu reduzieren und die Motorenfertigung zu vereinfachen, wird hier eine Selbstausrichtungslösung vorgeschlagen. Diese ist von besonderem Interesse, wenn die externe Anwendung die Ausrichtung des Gegenstands relativ zum Motorgehäuse steuert und geht noch weiter, wenn nur eine Statoreinheit verwendet wird. Der Motor wird nicht betrieben, wenn die beiden Antriebspads nicht mit der Gegenstandskontaktfläche ausgerichtet sind, und in diesen Beispielen eine Selbstausrichtung mehr oder weniger notwendig ist. Die Verwendung von Kunststoff-Zwischenschichten zwischen der steifen Statorabstützung und dem Motorgehäuse wurde untersucht und es ist ein Ergebnis herausgekommen, dass diese Lösung bei den meisten Anwendungen ausreichend ist, wo sowohl eine Nanometerpräzision als auch ein resonanter Hochgeschwindigkeitsantrieb benötigt wird. Dies ist zum Beispiel in 1 dargestellt, wo die Abstützanordnung 50 eine Kunststoff-Zwischenschicht 54 aufweist, die zwischen einer steifen Statorabstützung 52 und dem Motorgehäuse 70 vorgesehen ist.
Der Kunststoff wird sich infolge der Normalkraft verformen und die Antriebspadsflächen werden sich gegenüber dem Gegenstand ausrichten, wodurch die Notwendigkeit für eine genaue Ebenheit zwischen den Statorpaaren eliminiert wird. Das Motorgehäuse kann typischerweise erwärmt werden, um eine Verformung zu beschleunigen oder um den Kunststoff oder einen Kleber für die Selbstausrichtung auszuhärten. Um eine schnellere Ausrichtung zu erreichen, kann das Antriebselement bei hoher Spannung und hoher Frequenz betrieben werden, um ausreichend Wärme zu erzeugen, um die Plastikfolie schneller zu verformen. Die Leistungsfähigkeit wird ferner verbessert, wenn die Abstützung oder das Motorgehäuse eine Erhöhung im Mittelpunkt aufweist, entweder einstückig oder einfach als separater Gegenstand, um eine vollständige Kompression der Kunststofffolie zu vermeiden. Die meisten wärmehärtenden Kleber fungieren als selbstausrichtende Kunststofffolie und die Fließspannung des Plastikmaterials muss in Bezug auf das Drehmoment, das auf den zu bewegenden Gegenstand aufgebracht wird, dimensioniert werden. Wenn typischerweise ein äußeres Linearlager verwendet wird, kann die Selbstausrichtung durch Montage der Motoreinheit und Befestigen des Gegenstands am Linearlager ausgeführt werden und lässt zu, dass sich die Kunststofffolie verformt, bis das externe Drehmoment auf die Antriebsstange minimiert ist.
Um einen resonanten Betrieb aufrecht zu erhalten, auch wenn Belastungen, Normalkräfte und Temperaturen geändert werden, ist es zweckmäßig, Sensorinformationen vom Aktuatorelement selbst zurückzumelden. In den meisten der beschriebenen Designs gibt es zumindest ein Teil des Aktuatorelements, das nicht für den Antrieb verwendet wird, und dieses Teil kann als piezoelektrischer Sensor für die Schwingungsamplitude verwendet werden. Wenn ein elektromechanisches aktives Material einer Kraft ausgesetzt ist und deformiert wird, wird ein elektrisches Feld über dem Volumen auftreten. Wenn im Volumen Elektroden vorhanden sind, werden diese Änderungen im elektrischen Feld zu Spannungsänderungen zwischen unterschiedlichen Elektroden führen. Durch Messen dieser Spannungen auf den Elektroden können Informationen über das mechanische Verhalten des Volumens erhalten werden. Durch eine derartige Anordnung der Verbindung der Elektroden, dass diese Spannungen gemessen werden können, kann folglich das Aktuatorelement als piezoelektrischer Sensor verwendet werden.
8 ist ein Ablaufdiagramm von Schritten einer Ausführungsform eines Antriebsverfahrens. Das Verfahren zum Antreiben eines elektromechanischen Motors startet beim Schritt 200. Im Schritt 210 werden erste elektrische Signale zu Elektroden in einem Aktuatorelement eines elektromechanischen Aktuators zum Erregen von Volumen des elektromechanischen aktiven Materials im Aktuatorelement vorgesehen. Das Aktuatorelement wird nur an einem ersten Ende an einer Abstützanordnung befestigt, und weist ein Antriebspad auf, das an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt, befestigt ist. Das Antriebspad ist zur Zusammenwirkung mit einer interaktiven Fläche eines zu bewegenden Gegenstands in einer Hauptbewegungsrichtung, parallel zur interaktiven Fläche, angeordnet. Eine Aktuatorelementlänge wird definiert, um der Abstand zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende entlang einer Mittellinie zu sein, die zur interaktiven Fläche senkrecht ist. Mindestens ein Teil der Kontaktfläche des Antriebspads wird an zumindest einem Abstand d von der Mittellinie in der Hauptbewegungsrichtung vorgesehen. Der Abstand d ist 0,1 Mikrometer mal ein Verhältnis zwischen der Aktuatorelementlänge und des Hubs. Die ersten elektrischen Signale sind eingerichtet, um zu bewirken, dass das Aktuatorelement das Antriebspad auf einer nicht-resonanten zweidimensionalen Bahn relativ zur Abstützanordnung bewegt. Im Schritt 220 sind zweite elektrische Signale zu den Elektroden bereitgestellt. Die zweiten elektrischen Signale sind eingerichtet, um beim elektromechanischen Aktuator zu bewirken, sich in einer mechanischen Biegemodus-Resonanz zu bewegen. Die mechanische Biegemodus-Resonanz weist einen Hub in der Hauptbewegungsrichtung auf.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind als einige darstellende Beispiele der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Es sollte für Durchschnittsfachleute selbstverständlich sein, dass verschiedene Modifikationen, Kombinationen und Änderungen bei den Ausführungen gemacht werden können, ohne dass sie vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen. Insbesondere können verschiedenen Teillösungen in unterschiedlichen Ausführungsformen mit anderen Konfigurationen, wo es technisch möglich ist, kombiniert werden. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird jedoch durch die beigefügten Ansprüche definiert.
Bezugnahmen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6066911 [0003, 0057]
US 6337532 [0003, 0057]
US 6798117 [0003, 0057]
US 7420321 [0003, 0057]

Claims

Elektromechanischer Motor (10), umfassend: – einen in eine Hauptbewegungsrichtung (9) zu bewegenden Gegenstand (20) mit einer interaktiven Fläche (22), die zu der Hauptbewegungsrichtung (9) parallel ist; – zumindest einen elektromechanischen Aktuator (30) mit zumindest einem Aktuatorelement (40) und einer Abstützanordnung (50); – wobei das Aktuatorelement (40) Volumen eines elektromechanischen aktiven Werkstoffs (42, 43) und Elektroden (44A–F, 45A–F) zum Erregen der Volumen des elektromechanischen aktiven Werkstoffs (42, 43) aufweist; – wobei das Aktuatorelement (40) nur durch ein erstes Ende (46) an der Abstützanordnung (50) befestigt ist; – wobei das Aktuatorelement (40) ein Antriebspad (60), das an einem zweiten Ende (77), das dem ersten Ende (46) gegenüberliegt, befestigt ist; – eine Aktuatorelementlänge (L), die der Abstand zwischen dem ersten Ende (46) und zweiten Ende (47) entlang einer Mittellinie (49) ist, die zur interaktiven Fläche (22) senkrecht ist; – einen Statorrücken (70), an dem die Abstützanordnung (50) des elektromechanischen Aktuators (30) befestigt ist; – eine Federanordnung (80), die zum Vorsehen einer Normalkraft (N) zwischen dem zu bewegenden Gegenstand (20) und dem elektromechanischen Aktuator (30) angeordnet ist; – eine Steuerelektronikeinheit (90), die elektrisch mit dem elektromechanischen Aktuator (30) verbunden ist, um ein Bereitstellen von elektrischen Signalen zu den Elektroden (44A–F, 45A–F) zu ermöglichen; – wobei das Antriebspad (60) mit einer Kontaktfläche (62) zum mechanischen Zusammenwirken mit der interaktiven Fläche (22) des zu bewegenden Objekts (20) angeordnet ist, um eine Bewegung des zu bewegenden Objekts (20) zu bewirken; – wobei die Steuerelektronik (90) zum Bereitstellen erster elektrischer Signale zu den Elektroden (44A–F, 45A–F) angeordnet ist, wobei die ersten elektrischen Signale zu den Elektroden (44A–F, 45A–F) beim Aktuatorelement (40) bewirken, das Antriebspad (60) auf einer nicht-resonanten zweidimensionalen Bahn bezüglich der Abstützanordnung (50) zu bewegen; – wobei die Steuerelektronik (90) ferner zum Vorsehen zweiter elektrischer Signale zu den Elektroden (44A–F, 45A–F) angeordnet ist, wobei die zweiten elektrischen Signale zu den Elektroden (44A–F, 45A–F) beim elektromechanischen Aktuator (30) bewirken, sich in einer mechanischer Biegemodus-Resonanz zu bewegen, wobei die mechanische Biegemodus-Resonanz einen Hub in die Hauptbewegungsrichtung (9) aufweist; – wobei zumindest ein Teil der Kontaktfläche (62) des Antriebspads (60) an zumindest einem Abstand (d) von der Mittellinie (49) in die Hauptbewegungsrichtung (9) vorgesehen ist, wobei der Abstand (d) 0,1 Mikrometer mal ein Verhältnis zwischen der Aktuatorelementlänge (L) und dem Hub ist.
Elektromechanischer Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kontaktfläche (62) in der Umgebung der Mittellinie (49) vorgesehen ist.
Elektromechanischer Motor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebspad (60) bezüglich einer Ebene (48) asymmetrisch ist, die zur Hauptbewegungsrichtung (9) senkrecht ist und durch die Mittellinie (49) hindurchgeht.
Elektromechanischer Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebspad (60) außerhalb des Aktuatorelements (40) in die Hauptbewegungsrichtung (9) hervorsteht.
Elektromechanischer Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Antriebspads (60) elastisch ist.
Elektromechanischer Motor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebspad (60) in einem Ende (64), das am größten Abstand von der Mittellinie (49) angeordnet ist, elastisch ist, und in einer Umgebung der Mittelinie (49) steif ist.
Elektromechanischer Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil (51) der Abstützanordnung (50) in eine Richtung (8) der Aktuatorelementlänge (L) elastisch ist.
Elektromechanischer Motor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (90) zum Bereitstellen der zweiten elektrischen Signale zu den Elektroden (44A–F, 45A–F) angeordnet ist, um eine Kontraktion und Expansion des Aktuatorelements (40) in Richtung der Aktuatorelementlänge (L) mit derselben Frequenz wie die Biegemodus-Resonanzfrequenz zu bewirken, die die Biegemodus-Resonanz überlagert, aber davon phasenverschoben ist.
Elektromechanischer Motor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützanordnung (51) eingerichtet ist, um einer Anordnung, die aus dem Aktuatorelement (40) und der Abstützanordnung (51) besteht, eine Resonanzfrequenz in der Umgebung der Biegemodus-Resonanzfrequenz für eine Bewegung entlang der Richtung der Aktuatorelementlänge (L) zu geben.
Elektromechanischer Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Kante eines Endes des Antriebspads (60), die am größten Abstand von der Mittellinie (49) angeordnet ist, die kleiner als eine Breite ist, in eine Richtung des Antriebspads (60), die zur Hauptbewegungsrichtung (9) senkrecht und zur interaktiven Fläche (22) parallel ist, erstreckt.
Elektromechanischer Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Aktuator (30) zumindest zwei Aktuatorelemente (40) aufweist, die nacheinander in der Hauptbewegungsrichtung (9) positioniert sind.
Elektromechanischer Motor gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebspad (60) von jedem der Aktuatorelemente (40) bezüglich einer Ebene (48) asymmetrisch ist, die zur Hauptbewegungsrichtung (9) senkrecht ist und durch die Mittellinie (49) hindurchgeht, und dadurch, dass ein Ende von einem Antriebspad, das am größten Abstand von der jeweiligen Mittellinie (49) angeordnet ist, einem Ende des anderen Antriebspads, das am größten Abstand von der jeweiligen Mittellinie (49) angeordnet ist, zugewandt ist.
Elektromechanischer Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Motor (10) eine Vielzahl von Aktuatorelementen (40) aufweist, die nacheinander in der Hauptbewegungsrichtung (9) positioniert sind, und dadurch, dass die Steuerelektronik (90) zum Bereitstellen der zweiten elektrischen Signale zu den Elektroden der jeweiligen Aktuatorelemente (40), die relativ zueinander phasenverschoben sind, angeordnet sind.
Verfahren zum Antreiben eines elektromechanischen Motors, das folgende Schritte aufweist: – Bereitstellen (210) von ersten elektrischen Signalen zu Elektroden in einem Aktuatorelement eines elektromechanischen Aktuators zum Erregen von Volumen eines elektromechanischen aktiven Werkstoffs im Aktuatorelement; – wobei das Aktuatorelement nur durch ein erstes Ende an einer Abstützanordnung befestigt ist, und ein Antriebspad aufweist, das am zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüber liegt, befestigt ist, wobei das Antriebspad zum Zusammenwirken mit einer interaktiven Fläche eines zu bewegenden Gegenstands in eine Hauptbewegungsrichtung, die parallel zur interaktiven Fläche ist, angeordnet ist; – wobei eine Aktuatorelementlänge der Abstand zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende entlang einer Mittellinie ist, die zur interaktiven Fläche senkrecht ist; – wobei zumindest ein Teil der Kontaktfläche des Antriebspads an zumindest einem Abstand d von der Mittellinie in die Hauptbewegungsrichtung vorgesehen ist, wobei der Anstand d 0,1 Mikrometer mal ein Verhältnis zwischen der Aktuatorelementlänge und dem Hub ist; – wobei die ersten elektrischen Signale eingerichtet sind, um beim Aktuatorelement zu bewirken, das Antriebspad auf einer nicht-resonanten zweidimensionalen Bahn bezüglich der Abstützanordnung zu bewegen; und – Bereitstellen (220) von zweiten elektrischen Signalen zu den Elektroden, wobei die zweiten elektrischen Signale eingerichtet sind, um beim elektromechanischen Aktuator zu bewirken, sich in einer mechanischen Biegemodus-Resonanz zu bewegen, wobei die mechanische Biegemodus-Resonanz einen Hub in die Hauptbewegungsrichtung aufweist.