DE68929149T2

DE68929149T2 - Piezoelektrische Antriebsanordnung

Info

Publication number: DE68929149T2
Application number: DE68929149T
Authority: DE
Inventors: Gordon Walter Culp
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2009-05-27
Also published as: KR940000689B1; EP0360975A3; CN1028585C; JP2706534B2; JPH03143279A; CA1312899C; DE68929149D1; CN1027667C; CN1060368A; JPH02151277A; CN1072288A; EP0360975A2; US4928030A; CN1041482A; US5939816A; KR900005637A; EP0360975B1; CN1061307A; JPH03148883A; CN1019623B

Description

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine steuerbare piezoelektrische Scherantriebs- bzw. Scherbetätigungsvorrichtung und konkret auf eine Vorrichtung, die eine Bewegung in einem Objekt durch die Anwendung von Zug- und Löse- bzw. Entlastungskräften darauf bewirkt.

2. Hintergrund der Erfindung

Einige Vorrichtungen, die piezoelektrische Anordnungen zum Antrieb bzw. zur Betätigung derselben enthalten, sind bekannt. Rev. Sci. Instrum. 58 (1), Januar 1987, schildert detailliert eine dynamische piezoelektrische Translations- bzw. Verschiebungsvorrichtung, deren Bewegung durch eine säge- zahnartige periodische Beschleunigung eines piezoelektrischen Elements und die Trägheit der Translationsstufe bzw. - plattform bewirkt wird.
Eine andere, ein piezoelektrisches lineares Stellglied verwendende Vorrichtung ist als der InchwormTM bekannt. Die US-Patente 3 902 084 und 3 902 085 beschreiben einen Aufbau aus piezoelektrischen röhrenförmigen Elementen vom Dehnungsmodus (extension mode), worin ein abwechselndes Greifen und Lösen bzw. Freigeben einer koaxialen Stange durch Endröhren und zeitgerechtes Strecken und Schrumpfen einer zentralen Röhre eine Verschiebung der Stange bewirken. Im einzelnen erreicht der Inchworm (Warenzeichen von Burleigh Instruments, Inc., New York) eine Positionierung, indem ein stangenartiges Objekt zyklisch gelöst bzw. freigegeben, ausgefahren bzw. gedehnt, gegriffen, freigegeben, kontrahiert und gegriffen wird. Das stangenartige Objekt wird entlang einer Achse bewegt. Die Nutzung eines dehnenden und zweier greifender Abschnitte erlaubt keine Bewegung des stangenartiges Objekts mit konstanter Geschwindigkeit. In den Greifabschnitten wird die piezoelektrische Dickenverformung genutzt. Die piezoelektrische Verlängerungs- bzw. Dehnungsverformung wird im Dehnungs- und Kontrahierabschnitt verwendet. Während der Freiga beabschnitte eines Zyklus ist die senkrechte Greifkraft auf Null reduziert. Zyklisches Greifen und Freigeben bewirkt eine zyklische Umwandlung gespeicherter elastischer potentieller Energie in kinetische Energie und umgekehrt. Die zyklische Energieumwandlung erregt akustisch und dynamisch das stangenartige Objekt, die piezoelektrischen Antriebe bzw. Stellglieder und alle damit verbundenen Strukturen. Die Position des stangenartigen Objekts ändert sich mit einer sich ändernden Temperatur. Am Beginn und am Ende jedes Greif- und Freigabeabschnitts des Zyklus tritt Reibung des stangenartigen Objekts auf, es sei denn, das stangenartige Objekt hat die Geschwindigkeit Null. Die Effizienz der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie ist durch Reibung begrenzt. Die Lebensdauer der Oberflächenabschnitte des Inchworm, die mit dem stangenartigen Objekt in Kontakt stehen, ist durch Reibung begrenzt. Der Dehnungsteil des Inchworm ist während des Kontrahierabschnitts jedes Zyklus Zugbeanspruchungen ausgesetzt. Die Zugbeanspruchungen begrenzen den Bereich der Kombination von sich bewegender Masse, Kontrahierkraft und Zyklusfrequenz. Der Greifhub des sich in der Dicke verformenden piezoelektrischen Teils beschränkt die Größe der auf das stangenartige Objekt radial wirkenden Kraft, bei der ein zyklischer Durchlauf effektiv ist. Die durch den Inchworm erreichte letzte Position des stangenartigen Objekts ist ungenutzt bzw. tot (lost), wenn von den piezoelektrischen Teilen elektrische Ladung entfernt ist, weil das stangenartige Objekt nicht festgehalten wird. Während eines normalen Betriebs kann der Inchworm eine Drehung des stangenartigen Objekts um seine Achse nicht verhindern.
Im US-Patent Nr. 4 775 815 translatiert bzw. überträgt der Bewegungsteil eines Motors eine Bewegung linear in einer Richtung. Der Bewegungsteil ist durch eine mechanische Verbindung an einem beweglichen Objekt befestigt. Die Reichweite der Verschiebung bzw. Translation des beweglichen Objekts ist nicht größer als die Reichweite der Translation des Bewegungsteils, die aus dem piezoelektrischen Hub in Kombination mit einer etwaigen Hebelwirkung der mechanischen Verbindung abgeleitet wird. Der piezoelektrische Hub wird durch Vergrößern der Höhe des geschichteten Stellgliedkörperteils vergrößert. Eine Zunahme der Höhe des Körperteils erhöht die elek trische Kapazität. Eine Zunahme der Kapazität vermindert die Translationsgeschwindigkeit bei einer gegebenen Kraft und Reichweite des Hubs und verringert die Kraft bei einer gegebenen Geschwindigkeit und Reichweite des Hubs, wobei alle anderen Elemente konstant sind. Die Höhe des piezoelektrischen Körpers ändert sich, während sich die Temperatur des Körpers ändert. Während einer Translation ist der piezoelektrische Körper Zugbeanspruchungen aufgrund von Biege- und Scherbeanspruchungen infolge von Kräften ausgesetzt, die auf den Bewegungsteil angewendet oder an diesem festgestellt werden, wobei die Beanspruchungen der Kombination von Geschwindigkeit, Hub und Kraft eine Grenze auferlegen. Die breiten Oberflächen von piezoelektrischen Schichten sind voneinander elektrisch isoliert. Da der Querschnitt des piezoelektrischen Körpers zwischen dem Bewegungsteil und der Montagebasis konstant ist, wird auch die Masse nahe dem Bewegungsteil verschoben; die Trägheitsgegenkraft der Masse addiert sich zu der Kraft, die durch das bewegliche Objekt und die zugeordnete mechanische Verbindung angewendet wird, wodurch der Bereich der Kombination von Geschwindigkeit, Hub und Kraft begrenzt wird. Diese piezoelektrischen Stellglieder werden von der vorliegenden Erfindung ohne weiteres dadurch unterschieden, daß z. B. im ersten Fall, um eine Translationsbewegung zu erzeugen, eine elektrische Sägezahnwellenform auf ein Piezorohr angewendet werden muß, um die Haftreibungsgrenze innerhalb der Vorrichtung zu überwinden, wodurch das Prinzip eines Trägheitsgleitens (inertial sliding) einer Plattform gezeigt wird. Bei dem Inchworm-Aufbau ist die Translation wegen des Griffs und der Freigabe intermittierend, und für jeden Schritt wird die Greifkraft zweimal entlastet.
Wie im folgenden ausführlicher beschrieben wird, sorgt die piezoelektrische Schervorrichtung oder das Stellglied der vorliegenden Erfindung für eine Verschiebung bzw. Translation, die sowohl sanft als auch kontinuierlich ist, halten axiale Lasten eine piezoelektrische Kompression aufrecht und vermeidet bzw. beseitigt eine konstante Normalkraft Schwingungsstörungen, auf die man in den oben erwähnten piezoelektrischen Vorrichtungen trifft.
Aus dem Gegenstand der Erfindung des japanischen Patents A-59 230 473 ist ein piezoelektrisches Stellglied bekannt, worin der gewünschte Zweck darin besteht, eine Antriebskraft mit hoher Effizienz zu übertragen, indem eine Verwindung mit einer longitudinalen oder seitlichen Wirkung und eine Verwindung mit einer Scherwirkung in einem piezoelektrischen Element erzeugt werden, wodurch bewirkt wird, daß eine sich bewegende Einheit eine periodische Ortskurve aufweist.
Ein piezoelektrisches Stellglied ist aus dem Gegenstand der Erfindung von WO-A-8 805 605 bekannt, die ein piezoelektrisches Element offenbart, das "... auf ein angelegtes elektrisches Signal ansprechen kann..., um sich zu dehnen und zu kontrahieren, um seine geometrischen Abmessungen zu ändern" (Seite 7, Zeile 7), d. h. jedes offenbarte Stellglied ist von einer Bauart mit einachsigem Dickenmodus.
Aus dem Gegenstand der Erfindung des US-Patents 4 195 243 ist ein piezoelektrisches Stellglied bekannt, worin eine Wandlereinrichtung den Wandler mit dem Objekt reibungsmäßig koppelt, um die Bewegung des Objekts zu veranlassen. Um das Objekt zu bewegen, wird der Wandler mit einer Beschleunigung beschleunigt, die die kritische Beschleunigung des Objekts übersteigt, wodurch die relative Bewegung des Wandlers und des Objekts erzeugt wird.
Aus dem Gegenstand der Erfindung von EP-A-0 239 085 ist ein piezoelektrisches Stellglied bekannt, das mehrere kinematische Elemente in Reibungskontakt mit einem Objekt aufweist. Die kinematischen Elemente sind hohle Zylinder mit einem Träger an einem Ende. Die kinematischen Elemente können gebogen werden, wobei der Zylinder aus der Achse des Zylinders gekippt bzw. geneigt wird und somit das Objekt durch Reibungskontakt zu einer neuen Position in einer Ebene bewegt wird. Die Zylinder können auch für eine Bewegung des Objektes, oder um das Objekt zu neigen, nach oben oder unten der Länge nach gedehnt oder kontrahiert werden.

Aufgaben der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine piezoelektrische Schervorrichtung mit einer breiten Anwendung als Präzisionspositionierer und Stellglied zu schaffen.
Eine andere Aufgabe besteht darin, die piezoelektrische Vorrichtung zu nutzen, um eine Bewegung in einem Objekt durch kombinierte Effekte von Zug und Entlastung, die durch die piezoelektrische Vorrichtung geliefert werden, zu erregen oder zu erzeugen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine piezoelektrische Vorrichtung zu schaffen, wodurch die piezoelektrische Vorrichtung nicht nur als die Multikraft-Einrichtung wirkt, sondern auch bekannte mechanische Komponenten von Vorrichtungen, wie z. B. Lager, Verbindungen, Tragstrukturen und dergleichen ersetzt.
Andere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung, wie sie beansprucht ist, ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eine piezoelektrische Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angeführten Merkmalen und durch einen Elektromotor mit den in Anspruch 20 angeführten Merkmalen erreicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A stellt ein piezoelektrisches Element im Ruhezustand hinsichtlich Polarisation, Elektroden und Abmessungen dar.
Fig. 1B stellt das piezoelektrische Element von Fig. 1A hinsichtlich eines angelegten elektrischen Potentials, des darin resultierenden elektrischen Feldes und der Scherwinkelverformung und des Hubes dar.
Fig. 2A zeigt einen Querschnitt einer dimorphen Einrichtung im Ruhezustand, die, wenn sie gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht ist, funktionsmäßig kombiniert ist, zusammenwirkende piezoelektrische Verbundelemente einer piezoelektrischen Vorrichtung bildet.
Fig. 2B zeigt die dimorphe Einrichtung von Fig. 2A hinsichtlich Elektroden, eines angelegten elektrischen Potentials, der resultierenden elektrischen Felder und der Verteilung der Scherverformungen und Hube.
Fig. 3 zeigt ein dimorphes Stellglied hinsichtlich einer Positionierung eines Objektes.
Fig. 4 veranschaulicht ein Stellglied, das Sensorabschnitte bzw. Sensorteile enthält, hinsichtlich einer Positionierung eines Objektes.
Fig. 5A zeigt den Querschnitt eines dimorphen Heberaufbaus im Ruhezustand hinsichtlich Polarisation, Elektroden und elektrischer Verbindungen.
Fig. 5B zeigt den Aufbau von Fig. 5A mit einem angelegten positiven elektrischen Potential hinsichtlich einer Translation.
Fig. 5C zeigt den Aufbau von Fig. 5B hinsichtlich eines negativen angelegten Potentials.
Fig. 6A zeigt den Querschnitt eines dimorphen Hebers im Ruhezustand hinsichtlich einer Polarisation in Richtung der Dicke.
Fig. 6B veranschaulicht den Heber von Fig. 6A bezüglich der Anwendung eines negativen elektrischen Potentials und eines Hubes.
Fig. 7 A zeigt den Querschnitt eines Dehnungshebers im Ruhezustand bezüglich Polarisation und Elektroden.
Fig. 7B zeigt den Heber von Fig. 7 A bezüglich eines negativen angelegten elektrischen Potentials und eines Hubes.
Fig. 8 veranschaulicht das Positionieren eines stangenartigen Objekts durch eine Gruppe von piezoelektrischen Scherstellgliedern.
Fig. 9 zeigt das Positionieren eines scheibenartigen Objektes durch eine Gruppe von piezoelektrischen Stellgliedern.
Fig. 10 zeigt das Positionieren eines kegelartigen Objektes durch eine Gruppe von piezoelektrischen Stellgliedern.
Fig. 11 veranschaulicht das Positionieren eines sphärischen Objektes durch eine Gruppe piezoelektrischer Stellglieder.
Fig. 12 zeigt das Positionieren eines plattenartigen Objektes durch drei piezoelektrische Stellglieder.
Fig. 13 veranschaulicht einen elektrischen Motor hinsichtlich piezoelektrischer Stellglieder und einer Positionierung der Welle.
Fig. 14 zeigt das Positionieren eines Objektes, an dem piezoelektrische Stellglieder angebracht sind.
Fig. 15 zeigt ein piezoelektrisches Positioniergerät, das eine Gegenkopplung zum sanften Positionieren mit konstanter Geschwindigkeit verwendet.
Fig. 16 veranschaulicht die Zeitsteuerung bzw. den Zeitablauf von piezoelektrischen Motorstellgliedern für ein sanftes Positionieren einer Welle mit konstanter Geschwindigkeit.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung, wie beansprucht

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1A und Fig. 1B ist ein Block 10 aus einem piezoelektrischen Material offenbart, worin die Richtung der Polarisation P parallel zur Ebene elektrisch leitender Elektroden 12, 14 liegt, worin die Elektrode 12 bei einem Nullpotential (Erdung) gehalten wird und das Anlegen eines positiven elektrischen Potentials V1 an der Elektrode 14 ein elektrisches Feld E erzeugt, das zu P senkrecht liegt, woraufhin alle zum Feld E parallelen und zu P senkrechten Schnittebenen eine positive Winkelverformung θ (Scherung) um eine Achse durchmachen, die zu der die Vektoren P und E enthaltenden Ebene senkrecht ist, während das Anlegen des entgegengesetzten elektrischen Potentials eine Scherung in der entgegengesetzten Richtung bewirkt.
Der Scherwinkel ist gegeben durch θ = d&sub1;&sub5;E, worin d&sub1;&sub5; der piezoelektrische Scherkoeffizient ist und von der Geometrie unabhängig ist. Das elektrische Feld hängt mit der Geometrie über E = V1/H zusammen, worin H die Höhe des Blocks 10 ist.
Eine nützlichere Beschreibung einer Scherverformung ergibt sich, wenn die Elektrode 12 als stationär bleibend betrachtet wird, während das Anlegen eines positiven Potentials V1 an die Elektrode 14 bewirkt, daß sich die Oberfläche der Elektrode 14 parallel zu 12 in der durch einen Pfeil 16 angegebenen Richtung um einen Hub δ verschiebt bzw. translatiert, der ungefähr durch 6H gegeben ist. Bipolare Werte von V&sub1; ermöglichen einen Hub von 2δ. Der Scherhub δ wird in dieser Offenbarung von großer Bedeutung sein.
Die Werte von d&sub1;&sub5; sind typischerweise 300 bis 700 pm/Volt, 10 bis 20-mal höhere Werte sind aber möglich. Die aktuelle Technik verwendet Werte von θ bis zu 2 mRadiant, wohingegen 50 mRadiant möglich sind. Die Scherkoeffzienten sind gewöhnlich höher als andere Polarisationsmoden in einer gegebenen piezoelektrischen Probe, wodurch die größte Verformung geliefert wird.
Die Abmessungen H, W und T bleiben ungeachtet des Zustands einer Scherverformung konstant. Der Zustand der piezoelektrischen Polarisation bleibt in ferroelektrischen Materialen unverändert, wenn V1 bipolar ist, wohingegen alle anderen Polarisationsmoden, wobei nützliche Werte von E zu P antiparallel sind, eine Reduzierung, Zerstörung oder gar Umkehr von P in ferroelektrischen Materialien zur Folge haben. Daher liefert ein bipolarer elektrischer Antrieb zusätzlich zur Zunahme aufgrund des größeren Scherkoeffizienten die doppelte nutzbare Verformung gegenüber einer monopolar-beschränkten Polarisation.
Fig. 2A und Fig. 2B stellen den Baustein, auch dimorphe Einrichtung genannt, der vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht ist, dar. Die Anordnung von Fig. 2A zeigt im Querschnitt einen piezoelektrischen Scherkörper 20, worin eine Mittenelektrode 16 mit einem elektrischen Potential V versorgt werden kann, so daß in bezug auf Elektroden 22 und 24 elektrische Felder E in piezoelektrischen Abschnitten bzw. Teilen 26 erzeugt werden. Die Polarisationsvektoren P sind auf jeder Seite der Elektrode 16 antiparallel, so daß die Scherverformungswinkel φ in der gleichen Richtung auftreten, während Scherverformungen δ additiv sind.
Die dimorphe Einrichtung benötigt wegen der Mittenelektrode in Kombination mit den antiparallelen Polarisationen für eine gegebene Geometrie und ein gegebenes elektrisches Feld gegenüber dem Fall, in dem keine Mittenelektrode verwendet wurde, die Hälfte des elektrischen Potentials.
Die Elektroden 22 und 24 bleiben beim Erdungspotential, um zwei oder mehr dimorphe Einrichtungen an ihren Erdungselektroden ungeachtet des Potentialzustandes dazwischen und ungeachtet des Potentialzustandes eines anderen Verbindungselements zu verbinden, an dem die dimorphen Einrichtungen angebracht sein können.
Durch Erdungselektroden verbundene dimorphe Einrichtungen benötigen nur eine einzige leitende Ebene zwischen Paaren dimorpher Einrichtungen. Zwischen dimorphen Einrichtungen wird keine elektrische Isolierung benötigt. Die dimorphen Einrichtungen können schmelz-verbunden sein und können je nach Art des ausgewählten Herstellungsprozesses als monolithische Strukturen mit mehreren Schichten hergestellt werden.
Der Verformungswinkel φ wird der gleiche wie θ von Fig. 1B sein, wenn das elektrische Feld und das piezoelektrische Material kongruent sind. Bleibt die Elektrode 24 stationär, translatiert die Elektrode 22 in der Richtung von Pfeil 28 um einen Hub 2δ. Der Hub eines Stapels aus n dimorphen Einrichtungen (worin n mindestens 2 ist) liefert einen Hub von ±2nδ, wenn das angelegte Potential bipolar ist.
Fig. 3 zeigt ein als ganzes mit 30 bezeichnetes charakteristisches piezoelektrisches Scherstellglied oder eine solche Vorrichtung, die einen dimorphen Stapel 32 aufweist, der an einer Trageinrichtung 34 angebracht ist. Am Scheitelpunkt des Stapels 32 ist ein im folgenden als die Krone bezeichneter Reibungsflächenteil 36 befestigt, der durch eine extern angewandte Normalkraft Fn mit dem äußeren Reibungsflächenteil eines positionierbaren Objektes 38 in Kontakt gehalten wird. Das Anlegen elektrischer Potentiale über (nicht dargestellte) Leiter an den dimorphen Stapel 32 bewirkt, daß die Krone 36 in den durch Pfeil 40 angegebenen Richtungen translatiert. Gleitfreie Reibung bzw. Haftreibung an einer Kontaktoberfläche 42 translatiert das Objekt 38 um eine zu T parallele Distanz, die der Änderung des an den Stapel angelegten elektrischen Potentials proportional ist. Das Stellglied translatiert das Objekt mit einem Distanzbereich entsprechend dem Hub des Stellglieds, der dem Bereich des bipolaren angelegten elektrischen Potentials entspricht. Am äußersten Punkt des Stellgliedhubes kann die Richtung einer Objektpositionierung umgekehrt werden, während ein Haftkontakt herrscht, und alternativ dazu wird eine weitere Translation durch Einleiten eines Rücklaufs (retrace) bewirkt.
Ein Rücklauf ist ein Übergang von Haftkontakt zu Gleitkontakt an der Kontaktoberfläche 42, der durch die Umkehrung des angelegten elektrischen Potentials und eine entsprechende Umkehrung der Richtung einer Translation durch den Kronenteil eingeleitet wird, die ausreichend abrupt erfolgt, damit der Bewegungszustand des positionierten Objektes 38 in der Richtung T während des Rücklaufs im wesentlichen unverändert fortbesteht. Der Kontakt 42 wird durch eine schnelle Beschleunigung der Krone 36 auf maximale Geschwindigkeit und schnelle Verzögerung bzw. Abbremsung an eine Stelle irgendwo innerhalb des Hubbereichs des Stellglieds zu einem Halt an der neuen Stelle bewegt, wo das Gleiten endet und ein Nicht- Gleiten bzw. Haften wieder beginnt. Die Normalkraft Fn kann während des Rücklaufes konstant bleiben. Das Rücklaufen wird später ausführlicher diskutiert.
Fig. 4 zeigt das Stellglied 30 von Fig. 3 mit Koordination X, Y und Z, die als an der Trageinrichtung 34 fixiert definiert sind. Der Stellgliedkörper 32' umfaßt die Krone 36, einen piezoelektrischen X-Schersensorteil 50, einen piezoelektrischen Y-Schersensorteil 52, einen piezoelektrischen Abfühlteil 48 für eine Normalkraft, piezoelektrische X- und Y-Translations- bzw. -Verschiebungsscherteile 44 und 46 und einen piezoelektrischen Z-Verschiebungsscherteil oder Kompressionswandlerteil 54, wobei der letztgenannte im folgenden äls Heber (lifter) bezeichnet wird. Ein berührungsfreier Y- Positionssensor 58 erzeugt ein elektrisches Signal bezüglich der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Krone 36 in bezug auf die Trageinrichtung 34 (der berührungsfreie X- Positionssensor ist der Klarheit halber weggelassen). Aus der Beschreibung von Fig. 3 sollte klar sein, daß die Krone 36 in drei wechselseitig orthogonalen Richtungen verschiebbar bzw. translatierbar ist. Die Sensorteile werden nach den Hebern diskutiert. Rücklauf bezieht sich nur auf die X- und Y- Richtungen.
Ein Hub des Hebers 54 ändert die Normalkraft Fn. Der Heber kann die Normalkraft einstellen, falls der Heberhub größer als der Hub ist, der erforderlich wäre, um das Stellglied um einen Betrag gemäß der maximalen Normalkraft zusammenzudrücken. Der Heber hält die Normalkraft ungeachtet einer differentiellen thermischen Dehnung des Geräts bei einem gewünschten Wert. Eine Translation in der Z-Richtung in Kombination mit zusätzlichen Stellgliedern, die auf das gleiche Objekt, aber an verschiedenen Kontaktstellen wirken, kann das Objekt neu positionieren.
Eine pyramidenförmige Stellgliedform mit der Krone am Scheitelpunkt reduziert die durch das Stellglied beschleunig te und verzögerte Masse, was wiederum die Zeit dafür verkürzt, in der das Stellglied einen Rücklauf durchführt.
Fig. 5A zeigt einen Querschnitt des bevorzugten piezoelektrischen Z-Translationsteils 54 oder Hebers im Ruhezustand. Der Heber umfaßt zwei oder mehr dimorphe Einrichtungen 20 mit geerdeten Elektroden 22 und aktiven Elektroden 16, die parallel zur gewünschten Richtung der Hebertranslation liegen. Die Richtungen piezoelektrischer Scherpolarisationen sind durch Pfeile P angegeben. Die Erdungselektroden 22 verlaufen abwechselnd außerhalb des dimorphen Körpers und sind auf jeder Seite des Hebers an den Stellgliedteilen 60 und 62 befestigt. Das Anlegen eines positiven elektrischen Potentials an die Elektroden 16 erzeugt ein elektrisches Feld E in den durch Pfeile E angegebenen Richtungen, welches bewirkt, daß sich der Teil 62 in der durch Pfeil 64 angegebenen Richtung (siehe Fig. 5B) um eine Distanz +δ in bezug auf eine benachbarte Struktur 60 verschiebt. Das positive Vorzeichen gibt eine Konvention an, in der zur Rücklaufebene senkrechte Translationen bzw. Verschiebungen im positiven Sinn genommen werden, wenn der Stapel zusammengedrückt wird. Der Klarheit halber, eine -δ-Translation folgt dem Anlegen eines negativen Potentials, wie in Fig. 5C gezeigt ist, während der Teil 62 sich in Richtung von Pfeil 66 verschiebt.
Die Distanz der außerhalb des dimorphen Körpers verlaufenden Elektroden 22 reicht für eine elektrische Isolierung zwischen den Rändern der aktiven Elektroden 16 und benachbarter Strukturen 60 und 62 aus. Eine Verdoppelung der Zahl dimorpher Einrichtungen zwischen einem benachbarten Paar Elektroden 22 wird den Hub beim gleichen angelegten elektrischen Potential verdoppeln und wird alternativ dazu das angelegte Potential für die gleiche angelegte elektrische Feldintensität halbieren. Der Heberhub δ ist von der Größe der dimorphen Einrichtung unabhängig, gemessen in Richtung der Translation. Die Größe kann nach Wunsch entsprechend den Grenzen verkleinert werden, die durch die Scherstärke bzw. -festigkeit des piezoelektrischen Materials und die angewandten und verbleibenden Scherbeanspruchungen auferlegt werden.
Der Scherheber hat eine Ruhestellung gleich der Hälfte des vollen bipolaren Hubes. Die Normalkraft in Ruhe und der Hub in Ruhe sind jeweils die Hälfte der maximalen Arbeitswerte. Die halbe Normalkraft in Ruhe kann die Stellung des beweglichen Objekts beibehalten, wenn die Energie abgeschaltet ist. Die Anfangskonfiguration des Geräts beschränkt ähnlich den Ruhezustand einer internen Beanspruchung auf einen Wert, der geringer als derjenige ist, welcher ansonsten herrschen würde, wenn der maximale positive (den Stapel komprimierende) Hub des Hebers vorliegt.
Fig. 6A zeigt den Querschnitt eines Hebers mit Dickenverformung im Ruhezustand, in welchem dimorphe Einrichtungen 20 in den Richtungen P polarisiert sind. Der Heber ist an benachbarten Stellgliedstrukturen 60 und 62 befestigt. Wie in Fig. 6B gezeigt ist, bewirkt das Anlegen eines negativen Potentials an die Elektroden 16 einen Anhub in der durch Pfeil 66 angegebenen Richtung, wobei der Anhub +δ ist. Aus den vorher beschriebenen Gründen ist das angelegte Potential auf eine einzige Polarität begrenzt, so daß das elektrische Feld niemals antiparallel zur Richtung der Polarisation P ist. Da der piezoelektrische Dickenkoeffizient d&sub3;&sub3; kleiner als der Scherkoeffizient d&sub1;&sub5; ist, wird bei äquivalenter Geometrie und elektrischer Feldintensität ein Dickenhub erwartet, der kleiner als der Scherhub ist. Die Dicke im Ruhezustand dieses Hebers ist geringer als in dem Fall, in dem ein volles Potential angelegt ist. Der Dickenheber gibt das bewegliche Objekt frei, wenn die Energie abgeschaltet ist, wenn der maximale Hub des Hebers größer als die Druckablenkung des Stellglieds im Gerät infolge einer Druckvorbelastung ist.
Fig. 7 A zeigt einen Querschnitt eines Hebers im Ruhezustand, der aus piezoelektrischen dimorphen Einrichtungen 20 mit Dehnungsverformung besteht, die von den benachbarten Stellgliedteilen 60 und 62 durch Isolatoren 68 elektrisch isoliert sind. Wie in Fig. 7B gezeigt ist, bewirkt ein Anlegen eines negativen Potentials an aktive Elektroden einen Dehnungshub -δ mit einer Translation des Teils 62 in bezug auf den Teil 60 in der durch Pfeil 64 angegebenen Richtung. Dieser Heber bleibt im Zustand maximaler Stapelkompression, wenn die Energie abgeschaltet ist, wodurch eine Positionssteuerung des beweglichen Objekts im Ruhezustand des Hebers aufrechterhalten wird. Das angelegte elektrische Potential ist wie beim Dickenheber auf ein monopolares beschränkt. Bei gegebener ähnlicher Geometrie und angelegtem elektrischen Feld erwartet man, daß der Dehnungsheber einen kleineren Hub als die Dicken- und Scherheber aufweist, weil der piezoelektrische Dehnungskoeffizient d&sub3;&sub1; den kleinsten Wert der drei Koeffizienten aufweist.
Heber für Scher-, Dicken- und Dehnungsverformungen können in einer beliebigen Kombination innerhalb des gleichen Stellglieds, wie beansprucht, verwendet werden, um die Hubgröße, die Hubrichtung und den Ruhezustand des Hubes und die angewandte Normalkraft so einzustellen, wie sie für eine gewünschte Verwendung eines Stellglieds geeignet sind.
Die Position des Heberteils im Körper des Stellglieds ist unwichtig, es sei denn, der Heber muß einen Teil des Stellgliedkörpers mit großer Beschleunigung verschieben, wobei dies am vorteilhaftesten erreicht wird, indem der Heber im Stellglied an einer Stelle positioniert wird, die die Masse des Stellgliedmaterials, die beschleunigt werden muß, minimiert.
Bezug nehmend auf Fig. 8 ist eine Vorrichtung dargestellt, die nicht eine Ausführungsform der Erfindung ist und in der Stellglieder 32 auf die äußeren Oberflächen 60 eines stabartigen Objektes 62 wirken, das positioniert werden soll. Der Klarheit halber ist keine Trageinrichtung dargestellt. Das stabartige Objekt kann z. B. eine Teilanordnung eines Mechanismus sein, die ein Positionieren um null bis drei Achsen durch eine (nicht angegebene) Drehung und eine Verschiebung parallel zu null bis drei wechselseitig senkrechten Richtungen erfordert, die durch Pfeile 40 und 40' angegeben sind. Derartige Positionierungen werden durch drei oder mehr zusammenwirkende Stellglieder veranlaßt. Mit und ohne (nicht dargestellte) externe Führungen wird das stabartige Objekt zu allen Zeiten positionsmäßig gesteuert, wenn jedes Stellglied zu einer separaten Zeit zurückläuft. Wie vorher beschrieben wurde, benötigt aufgrund einer extern wirkenden Kraft wie z. B. der Schwerkraft bzw. des eigenen Gewichts und infolge der Reibungskraft beim rückwärts verlaufenden Rücklauf jeder Rücklauf weniger Zeit als diejenige, die das stabartige Objekt benötigt, um sich über eine merkliche Distanz zu bewegen. Der Reibungskraft beim rückwärts verlaufenden Rücklauf wird durch die Trägheit des stabartigen Objekts sowie die Reibung der nicht rücklaufenden Stellglieder entgegengewirkt.
In Fig. 9 ist eine Vorrichtung dargestellt, die nicht eine Ausführungsform der Erfindung ist und in der drei oder mehr Stellglieder 32 auf die äußeren abgeschrägten Oberflächen 64 eines scheibenartigen Objekts 66 wirken, das positioniert werden soll. Der Klarheit halber ist keine Trageinrichtung dargestellt. Die Scheibe kann z. B. eine Teilanordnung eines Mechanismus sein, die ein Positionieren um null bis drei Achsen durch Drehung erfordert und Translationen parallel zu null bis drei wechselseitig senkrechten Richtungen verlangt, aber in erster Linie für eine unbeschränkte Drehung um eine Achse gedacht ist, die durch Pfeile 40 angegeben ist. Der Kontakt zwischen der Krone und dem Scheibenrand ist ein Doppellinienkontakt. Die Kronen liefern alle Trag- und Positionierfunktionen für die Scheibe, wobei andere Lager oder Führungen nicht benötigt werden. Ein Heber in einem Stellglied kann sich nach einer differentiellen thermischen Dehnung einstellen. Heberteile in allen Stellgliedern wirken zusammen, um die Scheibe parallel zu ihrer breitesten Ebene zu positionieren. Die Heberteile erlauben die Änderung der auf die Scheibe angewandten Radialkraft, um eine gewünschte Verformung zu erzielen und eine Korrektur einer unerwünschten Verformung durch die Anwendung einer Verformung in der entgegengesetzten Richtung und in den entsprechenden Stellen auf dem Scheibenrand zu bewirken bzw. zu beeinflussen, wobei das letztgenannte in der optischen Lehre gewöhnlich als modaler Spiegel oder modale Linse bezeichnet wird. Wenn die Scheibe ein optisches Gitter ist, beeinflussen die Stellglieder ohne Rückläufe eine dynamische, d. h. bei Frequenzen von Hunderten von Hertz, Positionierung des Gitters in zwei Winkeln und axial, während bei Rückläufen bei niedrigen Frequenzen und für eine statische Ausrichtung die Stellglieder das Gitter in Richtungen 40 drehen, was gewöhnlich als Takten bzw. Clocking bezeichnet wird.
In Fig. 10 ist eine Vorrichtung dargestellt, die nicht eine Ausführungsform der Erfindung ist und in der Scherstellglieder auf die äußere Oberfläche eines Kegels 68 wirken, der positioniert werden soll. Der Klarheit halber ist keine Trageinrichtung für die piezoelektrischen Stellglieder darge stellt. Der Kegel kann z. B. eine Teilanordnung eines Mechanismus sein, die ein Positionieren um null bis drei Achsen durch Drehung und eine Translation parallel zu null bis drei wechselseitig senkrechten Richtungen, in erster Linie aber eine Drehung um eine Achse erfordert, wobei die Drehung durch einen Pfeil 40 angegeben ist. Derartige Positionierungen werden durch die Kombination von Stellgliedern erreicht, wobei jedes Stellglied null bis drei Translationen liefert, die durch piezoelektrische Scherverformungen bewirkt werden. Der Kontakt zwischen der Krone und der Kegeloberfläche ist ein Linienkontakt, kann aber ein periodischer bzw. hertzscher (Hertzian) sein. Die Kronen liefern alle Trag- und Positionierfunktionen für den Kegel, wenn eine Kraft wie z. B. die Schwerkraft bzw. das eigene Gewicht in der Figur nach unten wirkt. Andere Lager oder Führungen werden nicht benötigt. Sowohl Heberteile als auch piezoelektrische Tangenterteile (tangenter) in jedem Stellglied stellen die axiale Position des Kegels ein. Piezoelektrische Tangenterteile, die tangential zur Kegeloberfläche wirken, beeinflussen die Drehung des Kegels. Innerhalb der durch die Form des Reibungskontaktes der Kronen mit der kegelförmigen Oberfläche auferlegten Grenzen werden Drehungen des Kegels um zur Symmetrieachse des Kegels senkrechte Achsen geliefert.
In Fig. 11 ist eine Vorrichtung dargestellt, die nicht eine Ausführungsform der Erfindung ist und in der drei oder mehr Scherstellglieder 32 auf die äußere Oberfläche einer Kugel bzw. Sphäre 70 wirken, die positioniert werden soll. Der Klarheit halber ist keine Trageinrichtung für die piezoelektrischen Stellglieder dargestellt. Die Sphäre kann z. B. eine Teilanordnung eines Mechanismus sein, die ein Positionieren um null bis drei Achsen durch Drehung und eine Translation parallel zu null bis drei wechselseitig senkrechten Richtungen erfordert, sich aber in erster Linie um drei Achsen dreht, wobei die unbeschränkten Bewegungen durch Pfeile 40 angegeben sind. Derartige Positionierungen werden durch die Kombination von Stellgliedern erreicht, wobei jedes Stellglied null bis drei Translationen liefert, die durch piezoelektrische Scherverformungen bewirkt werden. Der Kontakt zwischen den Kronen und der sphärischen Oberfläche ist periodisch bzw. hertzsch, d. h. ein kleiner Kreis oder eine kleine Ellipse. Die Kronen liefern alle Trag- und Positionierfunktionen für die Sphäre, wenn eine Kraft wie z. B. das eigene Gewicht in der Figur nach unten wirkt. Ein (nicht dargestelltes) viertes Stellglied am Scheitelpunkt eines gedachten Tetraeders in der Figur beschränkt die Sphäre bei Fehlen äußerer Kräfte und Zwänge. Andere Lager oder Führungen werden nicht benötigt. Piezoelektrische Heberteile in jedem Stellglied stellen die Normalkraft an der Sphäre ein. Piezoelektrische Tangenterteile beeinflussen die Drehung der Sphäre um drei senkrechte Achsen. Kleine Translationen entlang drei wechselseitig senkrechten Achsen werden durch Kombinationen von piezoelektrischen Heber- und Tangenterbewegungen der Stellglieder beeinflußt.
In Fig. 12 ist eine Vorrichtung dargestellt, die nicht eine Ausführungsform der Erfindung ist und in der drei Stellglieder 32 auf die Ebene unter der Oberfläche eines plattenartigen Objektes 38 wirken, das in durch Pfeile 40, 40' und 40" angegebenen Richtungen in bezug auf eine Trageinrichtung 34 positioniert werden soll, in erster Linie aber in der Ebene der Platte, für die Positionierungen nur durch die Ausdehnung der Oberfläche der Platte und die Aufstandsfläche der Stellgliedkontakte beschränkt sind. Die Scheibe ist auch um eine zur breiten Oberfläche der Platte senkrechte Achse drehbar, wobei wieder die Positionierung nur durch die Ausdehnung der breiten Oberfläche der Platte begrenzt ist. Diese Vorrichtung arbeitet auch ohne Schwerkraft und ohne externe Einrichtungen für Normalkräfte, wenn ein oder mehr Stellglieder der oberen Oberfläche der Platte der Figur hinzugefügt werden und auf diese wirken. In Kombination mit einer (nicht dargestellten) Einrichtung zum Feststellen der Plattenposition ist das Gerät für eine Ausrichtung von Masken für integrierte Schaltungen, zum Positionieren von Proben für optische Mikroskope und zum Positionieren von Proben in einem Tunnelelektronenmikroskop verwendbar.
Die Heberteile der Stellglieder, die im Einklang wirken, verschieben die Platte in einer zu ihrer breiten Oberfläche senkrechten Richtung in einem Bereich, der den Huben der Heber gleich kommt. Wenn sie mit geeignet verschiedenen Potentialen wirken, drehen die Heber die Platte um kleine Winkel um zwei senkrechte Achsen. Kurz gesagt, alle sechs Freiheits grade zur Positionierung sind vorgesehen, von denen drei groß sind.
Die Vorrichtung von Fig. 12 kann invertiert werden, d. h. die Trageinrichtung 34 kann zusammen mit den Stellgliedern 32 positioniert werden, während die Platte 38 stationär bleibt. In Fig. 13 ist eine Vorrichtung dargestellt, die keine Ausführungsform der Erfindung ist und in der eine gerade Anzahl von piezoelektrischen Stellgliedern 32 an einer Trageinrichtung 34, einer Greif- und Positionswelle 72 befestigt ist. Eine Symmetrie von auf die Welle angewandten Kräften ergibt sich, wenn diametral gegenüberliegende Stellglieder als Paar betrieben und zurückgeführt werden. Für jede Hubrichtung eines Stellgliedes wird die Mindestzahl elektrischer Ladungsquellen, nämlich zwei, benötigt, wenn Stellglieder in zwei Gruppen, z. B. geradzahlige und ungeradzahlige, elektrisch verbunden sind.
Die Welle 72 wird zwischen gegenüberliegenden Stellgliedkronen gewälzt, wenn tangentiale Stellgliedbewegungen stattfinden, wie man einen Bleistift zwischen flachen Handflächen wälzen würde, wie durch den gekrümmten Pfeil 40 angegeben ist. Abwechselnde synchronisierte Rückläufe von Stellgliedgruppen beeinflussen eine sanfte Wellenpositionierung. Axiale Bewegungen von Stellgliedkronen bewirken, daß die Welle wie durch den geraden Pfeil 40' angegeben axial translatiert. Heberteile steuern eine Normalkraft auf der Welle und kompensieren eine differentielle thermische Dehnung. Die Heber können auch die Achse der Welle nach Wunsch ausrichten oder können veranlassen, daß die Wellenachse während einer Wellendrehung einer beliebig geformten geschlossenen Kurve folgt, um einen Nichtgleichgewichtszustand beispielsweise in einer gestörten Drehmaschine zu kompensieren. Die Kronen können hydrostatische und hydrodynamische Fluidlager sein, deren Fluidfilmdicke durch die Heber mit hohen Frequenzen gesteuert wird.
In Fig. 14 ist noch eine weitere Vorrichtung dargestellt, die nicht eine Ausführungsform der Erfindung ist und in der piezoelektrische Stellglieder 32 an Oberflächen 74 des Objektes 76, wie z. B. eines Rades, befestigt sind, das positioniert werden soll, und Stellgliedkronen auf der Reibungsoberfläche 78 einer Trageinrichtung 34 lagern und um deren volle Ausdehnung laufen. Das positionierte Objekt kann z. B. ein optisches Element sein, das ein Positionieren um null bis drei Achsen durch Drehung und durch eine Translation parallel zu null bis drei wechselseitig senkrechten Richtungen erfordert. Derartige Positionierungen werden durch zusammenarbeitende Stellglieder erreicht. Eine Rücklaufbewegung stellt eine axiale Position ein; wenn das Objekt 76 ein optisches Element ist, worin eine optische Figur bezüglich einer Positionierung unverändert bleibt, weil die Lage von Lasten und Momenten bezüglich einer Positionierung unverändert bleibt.
Es findet eine sanfte Positionierung des Objektes statt, wie mit Verweis auf die Fig. 14, 15 und 16 beschrieben wird. An jeder Stellgliedposition von Fig. 14 kann jedes Stellglied durch eine Gruppe von zwei oder mehr Stellgliedern ersetzt werden, wobei jede Gruppe auf nahezu den selben Teil der Reibungstragfläche 78 wie das vorherige einzelne Stellglied wirkt, um das Verfahren eines sanften Betriebs anzuwenden, das im folgenden für Fig. 16 ausführlicher beschrieben wird. Die Verwendung von Stellgliedgruppen kann auf alle hierin beschriebenen Vorrichtungen ausgedehnt werden, um eine größere strukturelle Steifigkeit, einen sanfteren Betrieb, eine größere Lastlagerfähigkeit und eine beliebige Kombination dieser Vorteile zu erreichen.
In Fig. 15 zeigt ein schematisches Diagramm des für die Vorrichtung von Fig. 9 geeigneten Positionierungssystems eine Steuereinrichtung 80 und die elektrische Ladungsquelle 82, die lineare Leistungsverstärker aufweisen kann. Dieses Beispiel veranschaulicht ein Verfahren zum Erzielen einer Positionierung mit ungestörter konstanter Winkelgeschwindigkeit der Scheibe 66. Stellglieder laufen einzeln zurück. Der Wandler 50 für eine Tangentialkraft, von Fig. 4 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Summe der Tangentialreibungskraft auf der Krone und der Trägheitsgegenkraft ist, die durch Beschleunigung der Kronenmasse und eines Teils der Masse des Abfühlelements selbst während eines Rücklaufs erzeugt wird. Das Signal von dem Abfühlelement wird durch den Beschleunigung-Reibung-Verstärker konditioniert bzw. aufbereitet. Das Aufbereiten umfaßt eine Kompensation der bekannten Massen und elastischen Eigenschaften der Kronen- und Sensorteile.
Nahe jeder Krone befindet sich ein berührungsfreier Sensor 58, der ein elektrisches Signal erzeugt, das zur Tangentialposition der Krone in bezug auf die (nicht dargestellte) Trageinrichtung proportional ist. Das Positionssignal wird aufbereitet und doppelt differenziert, um ein Signal abzuleiten, das der Beschleunigung der Krone während eines Rücklaufs proportional ist.
Ein Differenzverstärker subtrahiert das abgeleitete Beschleunigungssignal von dem gemessenen Beschleunigung- Reibung-Signal, wobei ein Signal erzeugt wird, das nur der auf die rücklaufende Krone angewandten Reibungskraft proportional ist. Das Reibungssignal wird invertiert, durch zwei geteilt und mit den Positioniersignalen X summiert, die an die beiden anderen Stellglieder extern angelegt werden, die keinen Rücklauf durchmachen. Die summierenden Netzwerke liefern Signale an die Leistungsverstärker. Eine Überlagerung des halben invertierten Rücklaufreibungssignals an jedes der nicht rücklaufenden Stellglieder addiert zwei positive halbe Inkremente eines Drehmoments an der Scheibe, um das eine Inkrement des negativen Drehmoments zu kompensieren, das durch das den Rücklauf durchführende Stellglied auf die Scheibe angewendet wird. Die drei Drehmomente, die wechselseitig antikomplementär sind, addieren sich zu einem Drehmoment Null, was bewirkt, daß die Scheibe trotz Rückläufe mit konstantem Drehmoment angetrieben wird. Die Verwendung halber Drehmomentinkremente für die beiden nicht rücklaufenden Stellglieder schließt ein Überschreiten der tangentialen Reibungskraft nicht rücklaufender Kronen aus, wodurch ein unerwünschter Übergang von Wälzen zu Gleiten ausgeschlossen wird.
Die am wenigsten gestörte Drehung der Scheibe liegt vor, wenn die Normalkraft der drei Stellglieder während des Zyklus konstant bleibt. Eine konstante Normalkraft verhindert das Lösen bzw. die Freigabe und die erneute Anwendung gespeicherter elastischer Energie und minimiert dadurch die Anregung struktureller Schwingungen. In dieser Ausführungsform werden zum Einstellen der Normalkraft keine Heber benötigt, sondern diese können verwendet werden, um eine differentielle thermische Ausdehnung zu kompensieren oder um die Normalkraft zu ändern, um eine absichtliche Verformung in der Scheibe zu beeinflussen, wie sie in einigen optischen Elementen wünschens wert wäre. Eine Dissipation von Reibungsenergie während eines Rücklaufs wird durch Erhöhen der Kronenbeschleunigung reduziert. Die extern angelegten Positioniersignale X werden für längere oder kürzere piezoelektrische Scherhube zwischen Rückläufen eingestellt. Ein kürzerer Hub reduziert die Größe einer Versetzungsdistanzposition für einen Kontakt zwischen Scheibe und Krone auf der Reibungsfläche der Krone, was die Änderung in dem Moment reduziert, das durch die angewandte Normalkraft auf den Kronenteil des Stellglieds angewendet wird.
Wenn eine beliebige Kombination der oben erwähnten Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung verwendet wird, geht eine Scheibendrehung mit einer zum Positionieren optischer Elemente geeigneten Sanftheit und Präzision vor sich. Die Scheibe kann ein optischer Spiegel, ein Beugungsgitter oder eine Linse sein. Wenn ein Teil jeder Tangenteneinrichtung bzw. jedes Tangenters von jedem Stellglied in der Richtung der Achse der Scheibe wirkt, wobei geeignete Leistungsverstärker hinzugefügt sind, werden dann zwei Richtungen einer Drehpositionierung und eine Richtung einer axialen Positionierung des optischen Elements verfügbar gemacht.
Wenn die Reibungsflächen beweglicher Objekte standardisiert sind, werden die gleichen Stellglieder und zugeordneten elektrischen Anlagen zum Positionieren einer großen und vielfältigen Familie von Objekten genügen.
In Fig. 16 ist nun die Zeit als Funktion von Potentialen aufgetragen, die an die piezoelektrischen Stellglieder der in Fig. 13 gezeigten Vorrichtung eines Elektromotors angelegt werden. In diesem Beispiel sind die Stellglieder in zwei, geraden und ungeraden Sätzen elektrisch verbunden und werden durch zwei lineare Tangenterverstärker und zwei Linearverstärker für Heber abwechselnd angetrieben. Die piezoelektrischen Tangenterteile wirken tangential zur Welle. Die piezoelektrischen Heberteile wirken senkrecht zur Wellenoberfläche. Nach Fig. 15 liefert ein Wellenpositionssensor, wie er z. B. in der Ausführungsform von Fig. 15 gezeigt ist, auch Signale der Wellenposition und Winkelgeschwindigkeit der Welle an die Steuereinrichtung. Die Tangenterverstärker liefern jeweils ein maximales Potential von + eM, während die Heberverstärker jeweils eine Potentialänderung von eLO liefern, um die Normalkraft zwischen den Kronen und der Welle zu ändern, und die Potentialänderung schwebt (floats), um eine differentielle thermische Ausdehnung im Motor zu kompensieren. Das Potential vom Tangenterverstärker weist eine Drehrate bzw.
Drehgeschwindigkeit von e und eine Potentialbeschleunigung von e auf. Der Heberverstärker liefert eine Drehrate eL und eine Potentialbeschleunigung eL. Gerade Stellglieder legen abwechselnd mit ungeraden Stellgliedern ein Drehmoment an die Welle an. Gerade Stellglieder, wie im Zeitdiagramm von Fig. 16, greifen die Welle am Beginn des Zyklus und drehen unter Anwendung der konstanten Drehrate des Tangenterverstärkers die Welle mit konstanter Geschwindigkeit vom Zeitpunkt Null bis t&sub1;. Die geraden Stellglieder greifen und drehen die Welle mit konstanter Geschwindigkeit von t&sub1;&sub3; bis t&sub1;&sub4;. Der zentrale tr-Teil des Diagramms ist der Rücklaufteil des Zyklus.
Beide Sätze von Stellgliedern, die abwechselnd wirken, legen ein konstantes Drehmoment an die Welle an, wenn die Rücklaufzeit tr die halbe Zykluszeit t&sub1;&sub4; ist, und der Zeitablauf bzw. die Zeitsteuerung der geradzahligen Stellglieder unterscheidet sich in der Phase von den ungeradzahligen Stellgliedern um die halbe Zykluszeit, nämlich t¹/&sub2;, so daß eine Anwendung des Drehmoments auf die Welle durch die geraden Stellglieder begonnen wird, während das Drehmoment durch die ungeradzahligen Stellglieder von der Welle genommen bzw. gelöst wird. Die konstante Drehrate des Tangenterteils bewirkt, daß die Krone der Wellenoberfläche ohne Relativbewegung folgt. Ein einfaches Verfolgen der Wellenoberfläche mit der Krone legt an die Welle kein Drehmoment an, vermeidet aber Reibung, wenn dies erwünscht ist.
Um ein Drehmoment an die Welle anzulegen, wird ein Drehmomentpotential eτ zum Tangenterpotential addiert. Eine Änderung im Drehmomentpotential wird mit einer Konstantspannungsbeschleunigung e und mit einer Konstantspannungsverzögerung -e erzeugt. Wie vorher diskutiert wurde, ist das Potential eτ durch das Produkt der Normalkraft und des Koeffizienten der Haftreibung zwischen der Reibungsoberfläche der Krone und der Welle beschränkt.
Die Betriebseffizienz der Vorrichtung ist durch elektrische Verluste in den Stellgliedern, Wälzverluste und Reibungsverluste begrenzt. Elektrische Verluste und Wälzverluste sind unwesentlich. Ein Betrieb mit hoher Effizienz liegt vor, wenn Reibungsverluste reduziert sind. Ein Betrieb mit hoher Effizienz verlangt, daß das Drehmomentpotential eτ vom Tangenterteil des Stellglieds zwischen t&sub1; und t&sub3; entfernt wird, bevor ein Rücklauf beginnt, um Reibung zwischen der Krone und der Welle zu beseitigen, wenn der Kontakt unterbrochen ist. Entsprechend wird ein Drehmomentpotential eτ zwischen t&sub1;&sub1; und t&sub1;&sub3; angelegt, nachdem ein Rücklauf abgeschlossen ist. Während ein Drehmoment an die Welle angelegt ist, würde eine Reduzierung der Reibungskraft auf der Welle auf einen geringeren Wert als die angelegte Tangentialkraft einen unerwünschten Übergang des Kronenkontaktes von Nichtgleiten bzw. Haften zu Gleiten bewirken. Der unerwünschte Übergang wird vermieden, indem die Drehmomentanwendung und -wegnahme auf dem Potential für konstante Geschwindigkeit überlagert wird, d. h. die Welle verfolgt bzw. nachgesteuert wird, um eine unerwünschte Relativbewegung zu vermeiden.
Ein Rücklauf geht bei einer Beschleunigung und Verzögerung mit konstantem Potential vor sich. Reibung während eines Rücklaufs kann reduziert werden, indem die Durchschnittsgeschwindigkeit der Krone in bezug auf die Welle so hoch wie möglich gemacht wird. Die Durchschnittsgeschwindigkeit erhöht sich mit höheren Werten einer Spannungsbeschleunigung. Ein höherer Wert einer durchschnittlichen Gleitgeschwindigkeit reduziert Reibung, weil die Tangentialkraft einer Gleitreibung ungefähr proportional zum Logarithmus der Gleitgeschwindigkeit abnimmt. Reibung bei Rücklauf kann durch Reduzieren der Normalkraft Fn verringert werden, indem das Heberpotential um einen Betrag eLO zwischen den Zeiten t&sub3; und t&sub5; geändert wird und indem eLO zwischen t&sub9; und t&sub1;&sub1; erneut angelegt wird. Während Zeitintervallen einer sich ändernden Normalkraft folgt die Krone der Welle mit der gleichen Oberflächengeschwindigkeit, so daß zwischen der Wellenoberfläche und der Krone keine Relativbewegung auftritt, die Reibung verursacht. Ein Rücklauf findet bei maximaler Spannungsbeschleunigung e statt, die vom Leistungsverstärker des Tangenters verfüg bar ist, wenn gewünscht wird, daß ein Rücklaufabschnitt jedes Zyklus so kurz wie möglich ist, wodurch die höchste Wellendrehrate erzeugt wird.
Wenn ein konstantes Drehmoment herrscht, wie vorher beschrieben wurde, ist die während jedes Zyklus an der Welle geleistete Nutzarbeit das Produkt der Tangentialkraft auf der Welle, der durch eine Krone zwischen Rückläufen zurückgelegten Distanz, der Zyklusfrequenz und der Zahl von Kronen (in diesem Beispiel die Hälfte), die in jedem Moment in Eingriff stehen. Die in W ausgedrückte Leistung der Vorrichtung ist das Produkt der Tangentialkraft auf die Welle, die in N ausgedrückt wird, der durch eine Krone zwischen Rückläufen zurückgelegten Distanz, die in m ausgedrückt wird, der in Hz ausgedrückten Zyklusfrequenz und der in jedem Moment in Eingriff stehenden Zahl von Kronen (in diesem Beispiel der Hälfte). (Die Leistung der Vorrichtung ist das Produkt, geteilt durch 6600, wenn die Zykluszeit in Hz angegeben ist, die Abmessungen in Inches vorliegen und die Kraft in Pfund angegeben ist.) Die Zyklusfrequenz ist das Inverse von t&sub1;&sub4;. Die maximale Leistung mit konstantem Drehmoment wird von der Vorrichtung extrahiert, wenn die Zykluszeit so kurz wie möglich ist. Die kürzeste Zykluszeit wird erhalten, indem die maximalen verfügbaren Werte für eine Spannungsbeschleunigung der Tangenterverstärker und Heberverstärker verwendet werden. Eine Spannungsdrehrate eL des Tangenters ist ein spezifischer Wert, der durch einen Betrieb mit konstantem Drehmoment diktiert wird, und ist geringer als Werte, die ansonsten von herkömmlichen Linearverstärkern zur Verfügung stünden.
Höhere Werte einer Drehrate der Tangenterspannung haben ein nicht konstantes Drehmoment auf der Welle zur Folge, erzeugen aber eine etwas größere Leistung. Es gibt einen Wert der Spannungsdrehrate, der maximale Leistung mit nicht konstantem Drehmoment erzeugt. Die Werte der Drehrate, die höher als der Wert für maximale Leistung und nicht konstantes Drehmoment sind, erzeugen weniger Leistung, weil ein kleinerer Bruchteil der Zykluszeit zur Drehmomentanlegung verwendet wird. Es gibt einen höheren Wert einer Drehrate, der keine Leistung erzeugt, weil der gesamte Zyklus aus drehmomentfreien (detorque), Heber- und Rücklaufabschnitten besteht.
In diesem Beispiel, in dem es zwei Sätze abwechselnd wirkender Stellglieder gibt, kann das statische Drehmoment das Doppelte des Arbeitsdrehmoments sein, weil im statischen Fall alle Stellglieder mit der Welle in Eingriff stehen können und keine rücklaufen. Wenn der Haftreibungskoeffizient konstant bleibt, ist das maximale Arbeitsdrehmoment des Motors von der Wellendrehzahl unabhängig. Die erzeugte Leistung ist eine lineare Funktion der Wellendrehzahl. Die Wellendrehzahl hängt von der Zyklusfrequenz ab, die wiederum, wie vorher beschrieben wurde, von den Drehraten und den Spannungsbeschleunigungen der Verstärker abhängt. Die Motorgeschwindigkeit bzw. Motordrehzahl wird geändert, indem eine beliebige Kombination einer Stufen- bzw. Schrittfrequenz, Spannungsdrehrate und Spannungsbeschleunigung geändert wird. Motordrehzahlen können von einer Umdrehung pro unbeschränkt langer Zeitspanne bis tausende Umdrehungen pro Minute reichen.
Der Hub des Hebers hängt von den Ablenkungen der Teile der Vorrichtung in einer radialen Richtung in bezug auf die Welle ab. Die Leistung hängt linear von der Normalkraft ab. Eine Erhöhung der Normalkraft bewirkt eine Zunahme der Ablenkung des Stellglieds und der Trageinrichtung, was eine Zunahme im Hub des Hebers verursacht. Eine Zunahme im Hub des Hebers erhöht die Anhubzeit, was eine Zunahme der Zykluszeit bewirkt, die eine Abnahme in der Leistung verursacht. Wenn die Motorgeometrie festgelegt ist, erfordert eine Zunahme im Hub des Hebers einen größeren Heber, was wiederum die Größe des Tangenterteils reduziert, was die Größe von Tangentialhuben bei einer gegebenen maximalen Betriebsspannung verringert.
Die Normalkraft ist durch die Stärken bzw. Festigkeiten der Materialien beschränkt, die in der Vorrichtung verwendet werden. Die größte Beanspruchung tritt im Linienkontakt zwischen der Krone und der Welle auf. In dem Motorbeispiel wird angenommen, daß die Krone eine ebene Reibungsoberfläche aufweist, während die Welle ein gerader kreisförmiger Zylinder ist. Eine Reduzierung der Kontaktbeanspruchung wird bewirkt, indem die Reibungsoberfläche der Krone zu einem Teil eines Zylinders gemacht wird, dessen Krümmungsradius geringfügig größer als derjenige der Welle ist. Der piezoelektrische Heberteil des Stellglieds wirkt mit dem Tangenterteil zusammen, um die während jedes Teils des Zyklus benötigte komplexere Kronenbewegung zu erzeugen. Ein mechanischer Vorteil der gekrümmten Reibungsoberfläche der Krone besteht darin, daß sich aus einer Einheit einer tangentialen Bewegung der Krone eine größere Wellendrehung ergibt.
Die Kontaktbeanspruchung hängt vom Wellendurchmesser ab. Ein Vergrößern des Durchmessers verringert die Kontaktbeanspruchung. Ein Vergrößern des Wellendurchmessers erhöht linear das Drehmoment der Vorrichtung, während die Drehrate der Welle linear abnimmt. Die Leistung bleibt bei konstanter Stellgliedgröße unverändert. Piezoelektrische Motoren wie derjenige von Fig. 13 sind für Anwendungen besser geeignet, die eine niedrige Wellendrehzahl, aber ein großes Drehmoment verlangen.
Da die Welle zu allen Zeiten im Griff zumindest der Hälfte der Stellglieder ist und es keinen Zwischenraum zwischen den greifenden Kronen und der Welle gibt, werden keine Lager benötigt. Ferner gibt es keine Lager mit geringerem Zwischenraum und größerer Steifigkeit als die Lagerfunktion, die durch die piezoelektrischen Stellglieder erfüllt wird. Ein Hinzufügen herkömmlicher Lager wäre ohne Wirkung. Der Kronenkontakt erstreckt sich über die volle Länge der Vorrichtung. Die gesamte Vorrichtung von der Wellenachse bis zur äußeren Oberfläche des Gehäuses ist massiv. Feste Materialien mit hohen elastischen Modulen werden verwendet, wenn eine geringe mechanische Nachgiebigkeit der Vorrichtung gewünscht wird. Die Vorrichtung wird am besten als ein massiver Gegenstand betrachtet, der eine Relativbewegung unter elektrischer Steuerung ermöglicht.
Wie für Fig. 13 beschrieben wurde, werden gleichzeitige Dreh- und axiale Wellenbewegungen einfach erzeugt, was diese Vorrichtung für Roboter verwendbar macht.
In keiner Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie beansprucht, werden ferromagnetische Materialien und magnetische Felder verwendet, was einen sicheren und wirksamen Betrieb in intensiven Magnetfeldern erlaubt.
Obgleich Schmiermittel, wie z. B. diejenigen, die in reibungsgetriebenen industriellen Wechslern mit veränderlichen Geschwindigkeiten akzeptabel sind, brauchen piezoelektrische Stellglieder keine Schmierung, arbeiten diese in einer Hochvakuumumgebung und verunreinigen sie nicht.
Das piezoelektrische Stellglied, das aus piezoelektrischen Elementen besteht, arbeitet gleichermaßen gut als Wandler von mechanischer in elektrische Energie. Wenn z. B. ein die Motorausführungsform in einem oder mehreren seiner Räder verwendendes Automobil bremst, kann ein Großteil der kinetischen Energie des Automobils in die Batterien oder eine andere Quelle elektrischer Ladung zurückgespeichert werden, als L0 vielmehr wie üblich die Energie als Abwärme zu dissipieren. Die durchgezogene Kurve von Fig. 16 wird sich während eines regenerativen Bremsens zur linken Seite der gepunkteten Kurve für ein Drehmoment Null bewegen.
Das Zeitablaufdiagramm von Fig. 16 zeigt für einen Lauf bei konstantem Drehmoment 50% Rücklauf und 50% Drehmomentanwendung. Das Hinzufügen separater Verstärker für Tangenter und Heber für jedes Stellglied erlaubt einen Betrieb jedes Motors mit n-numerierten Stellgliedern, wobei in jedem Moment nur ein Paar Stellglieder zurückläuft. Ein Lauf bei konstantem Drehmoment erfordert, daß der Rücklaufteil jedes Zyklus 2/n der gesamten Zykluszeit einnimmt. Eine festgelegte Rücklaufzeit vorausgesetzt, hat die längere Zykluszeit eine langsamere Drehrate der Welle, aber ein höheres Drehmoment zur Folge.
Es gibt keine erkennbaren, die Lebenszeit verkürzenden Mechanismen, wenn der piezoelektrische Motor mit einer geeignet niedrigen Kontaktbeanspruchung zwischen Welle und Krone ausgelegt bzw. konstruiert ist und wenn ein Motorbetrieb geeignete angelegte Potentiale und eine entsprechende Zeitsteuerung nutzt. Man erwartet, daß der Wirkungsgrad des piezoelektrischen Motors, wenn er unter diesen Bedingungen läuft, im Vergleich zu einem Wirkungsgrad von 92% eines äquivalenten ferromagnetischen Motors 99% übersteigt, wobei die Differenz Lagerverlusten und Wirbelstromverlusten im letztgenannten zuzuschreiben ist.

Claims

1. Piezoelektrische Vorrichtung, konfiguriert, um eine Kraft auf ein Objekt (38, 66, 76) anzuwenden, mit:

(1) einer Krone (36) mit einer Reibungsoberfläche, die in unmittelbarer Nähe eines Objekts (38, 66, 76) liegt;

(2) einem Boden mit einer durch eine Tragstruktur (34) getragenen Oberfläche; und

(3) mindestens einem piezoelektrischen Scherkörper (20), der sich integral zwischen der Krone (36) und dem Boden befindet;

(4) einer Abfühleinrichtung zum Bestimmen der relativen Position der Krone (36) in bezug auf die Position der getragenen Oberfläche;

(5) einer Einrichtung zum Einstellen der Nah-Position der Krone (36) und des Objekts (38, 66, 76);

(6) einer Einrichtung zum Feststellen und Messen einer physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und dem Objekt (38, 66, 76); und

(7) einer Einrichtung zum Bewirken eines elektrischen Potentials innerhalb der piezoelektrischen Vorrichtung, um selbige zu aktivieren und Geschwindigkeits- und Beschleunigungskräfte auf das Objekt (38, 66, 76) anzuwenden.

2. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum Einstellen der Nah-Position der Krone (36) und des Objekts (38, 66, 76) ferner aufweist:

(1) einen ersten piezoelektrischen Verschiebungsscherteil (44) zum Verschieben der Krone (36) in einer ersten tangentialen Richtung, die zur Richtung der physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und dem Objekt (38, 66, 76) orthogonal ist;

(2) einen zweiten piezoelektrischen Verschiebungsscherteil (46) zum Verschieben der Krone (36) in einer zweiten tangentialen Richtung, die zur ersten tangentialen Richtung orthogonal und zur Richtung der physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und dem Objekt (38, 66, 76) orthogonal ist; und

(3) einen piezoelektrischen Heberteil (54) zum Halten der physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und dem Objekt (38, 66, 76) bei einem gewünschten Wert trotz Änderungen in der Geometrie des Objektes (38, 66, 76) und Änderungen in der Geometrie der Vorrichtung.

3. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum Feststellen und Messen einer physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone und dem Objekt aufweist:

(1) einen piezoelektrischen Abfühlteil (48) zum Abfühlen einer Normalkraft in der Richtung der physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und dem Objekt (38, 66, 76)

(2) einen ersten piezoelektrischen Scher-Sensorteil (50) zum Abfühlen einer Kraft in der Richtung einer ersten tangentialen Richtung, die zur Richtung des physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und dem Objekt (38, 66, 76) orthogonal ist;

(3) einen zweiten piezoelektrischen Scher-Sensorteil (52) zum Abfühlen einer Kraft in einer zweiten tangentialen Richtung, die zur ersten tangentialen Richtung orthogonal und zur Richtung der physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und dem Objekt (38, 66, 76) orthogonal ist;

(4) einen ersten, nicht berührenden Positionssensor (58) zum Liefern eines Signals, das sich auf die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Krone (36) in bezug auf die Tragstruktur (34) in einer ersten tangentialen Richtung bezieht, die zur Richtung der physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und dem Objekt (38, 66, 76) orthogonal ist; und

(5) einen zweiten, nicht berührenden Positionssensor zum Liefern eines Signals, das sich auf die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Krone (36) in bezug auf die Tragstruktur (34) in einer zweiten tangentialen Richtung bezieht, die zur ersten tangentialen Richtung orthogonal und zur Richtung der physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und dem Objekt (38, 66, 76) orthogonal ist.

4. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum Bewirken eines elektrischen Potentials innerhalb der Vorrichtung, um selbige zu aktivieren und eine Kraft auf das Objekt (38, 66, 76) anzuwenden, umfaßt:

(1) eine Steuereinrichtung; und

(2) eine elektrische Ladungsquelle (82).

5. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Pyramidenstruktur mit der Krone (36) am Scheitelpunkt.

6. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) ein stabartiges Objekt ist.

7. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) ein scheibenartiges Objekt ist.

8. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) ein Spiegel ist.

9. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) eine Linse ist.

10. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) ein optisches Gitter ist.

11. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) ein kegelartiges Objekt ist.

12. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) sphärisch ist.

13. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) ein plattenartiges Objekt ist.

14. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) eine Schaltungsmaske ist.

15. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) eine Probe eines optischen Mikroskops ist.

16. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) eine Probe eines Tunnelelektronenmikroskops ist.

17. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) ein Rad ist.

18. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Objekt (38, 66, 76) ein Lager ist.

19. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der piezoelektrische Heberteil (54) ferner mindestens zwei dimorphe Einrichtungen (20) mit geerdeten Elektroden (22, 24) und aktiven Elektroden (16) parallel zu einer gewünschten Richtung einer Heberverschiebung aufweist.

20. Elektrischer Motor mit:

(1) einer drehbaren und verschiebbaren Welle (72), einschließlich einer Wellenreibungsoberfläche;

(2) piezoelektrischen Stellgliedern (30), die mit der Welle verbunden sind, wobei jedes Stellglied ferner aufweist:

(a) eine Krone (36) mit einer Reibungsoberfläche, welche Reibungsoberfläche in unmittelbarer Nähe der Wellenreibungsoberfläche liegt, einen Boden mit einer durch eine Tragstruktur (34) getragenen Oberfläche und einen piezoelektrischen Scherkörper (32), der sich integral zwischen der Krone und dem Boden befindet;

(b) eine Abfühleinrichtung zum Bestimmen der Position der Oberfläche der Krone (36) in bezug auf die Tragstruktur;

(c) eine Einrichtung zum Einstellen der Position der Kronenreibungsoberfläche in bezug auf die Wellenreibungsoberfläche;

(d) eine Einrichtung zum Feststellen und Messen einer physikalischen Kontaktkraft zwischen der Kronenreibungsoberfläche und der Welle; und

(e) eine Einrichtung zum Aktivieren der Stellglieder (30), (3) Linearverstärkern, die tangential zur Welle wirken;

(4) Heberverstärkern, die senkrecht zur Wellenreibungsoberfläche wirken; und

(5) einer Einrichtung zum Bewirken eines elektrischen Potentials innerhalb der Stellglieder, um die Welle des Motors zu aktivieren.

21. Elektrischer Motor nach Anspruch 20, worin die Einrichtung zum Einstellen der Position der Kronenreibungsoberfläche in bezug auf die Welle ferner aufweist:

(1) einen piezoelektrischen Scherteil (44), der tangential zur Wellenreibungsoberfläche wirkt;

(2) einen piezoelektrischen Scherteil (46), der axial zur Wellenreibungsoberfläche wirkt;

(3) einen piezoelektrischen Scherteil (54), der radial zur Wellenreibungsoberfläche wirkt, um die Normalkraft trotz Änderungen für die Geometrie der Welle bei einem gewünschten Wert zu halten.

22. Elektrischer Motor nach Anspruch 20, worin die Einrichtung zum Feststellen und Messen einer physikalischen Kontaktkraft zwischen der Krone (36) und der Welle aufweist:

(1) einen piezoelektrischen Kompressionsmeßwandlerteil (48), um Kräfte senkrecht zur Welle festzustellen;

(2) einen piezoelektrischen Schermeßwandlerteil (50), um eine Kraft tangential zur Welle festzustellen;

(3) einen piezoelektrischen Schermeßwandlerteil (52), um eine Kraft axial zur Welle festzustellen;

(4) eine nicht berührende, die Kronenposition feststellende Einrichtung, um die Kronenposition tangential zur Welle festzustellen; und

(5) eine nicht berührende, die Kronenposition feststellende Einrichtung, um die Kronenposition axial zur Welle festzustellen.

23. Elektrischer Motor nach Anspruch 20, worin die Einrichtung zum Bewirken eines elektrischen Potentials innerhalb des Motors, um selbigen zu aktivieren und eine Kraft auf die Welle anzuwenden, aufweist:

(1) eine Steuereinrichtung (80), und

(2) eine elektrische Ladungsquelle (82).