DE69429744T2

DE69429744T2 - Keramischer Motor

Info

Publication number: DE69429744T2
Application number: DE69429744T
Authority: DE
Inventors: Jona Zumeris
Original assignee: Nanomotion Ltd
Current assignee: Nanomotion Ltd
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1994-07-05
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2014-07-06
Also published as: DE69429744D1; EP0633616A2; EP0633616B1; EP0633616A3; JPH07184382A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikromotoren, und insbesondere auf piezoelektrische Motoren.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Verwendung von resonanten piezoelektrischen Keramikelementen, um eine lineare Bewegung und eine Drehbewegung zu erhalten, ist gut bekannt. Der hauptsächliche Vorteil solcher Systeme ist die Fähigkeit, ohne die Verwendung von sich bewegenden mechanischen Teilen eine sehr feine Bewegung zu erhalten. Im allgemeinen sind solche Systeme auf 1 Mikrometer Bewegungsgenauigkeit bei einem offenen Regelkreis, und auf 50 Nanometer bei einem geschlossenen Regelkreis begrenzt. Die Geschwindigkeit ist auf 5 bis 10 mm/sec begrenzt, wenn das Gewicht einer zu bewegenden Platte 0,5 kg beträgt. Unter diesen Umständen ist die in der Bewegungsrichtung auf die Platte ausgeübte Kraft auf ungefähr S N begrenzt. In vielen Situationen wäre es nützlich, eine bessere Auflösung, höhere Geschwindigkeiten und eine größere Bewegungsantriebskraft für solche Motoren zu erreichen. Eine verbesserte Auflösung wäre besonders nützlich, wenn die Fähigkeit, bei relativ hohen Geschwindigkeiten zu bewegen, erhalten bliebe.
In SU 693493 wird ein piezoelektrischer Motor beschrieben, der eine ebene, rechteckige piezoelektrische Platte aufweist, die eine Elektrode hat, die im wesentlichen eine große Fläche der Platte (die "Rückseite") ganz bedeckt, und vier Elektroden hat, von denen jede einen Quadranten der Vorderseite bedeckt. Die hintere Elektrode liegt an Masse, und die diagonalen Elektroden sind elektrisch miteinander verbunden. An einem der langen Ränder der Platte sind zwei keramische Schuhe befestigt, und diese Schuhe werden durch einen Federmechanismus, der gegen den anderen langen Rand drückt, gegen das zu bewegende Objekt gedrückt.
Die lange und die kurze Richtung haben nahe beieinander liegende Resonanzfrequenzen (für verschiedene Modusbefehle), so daß, wenn ein Paar der angeschlossenen Elektroden mit einer Wechselspannung, auf die das Keramikelement anspricht, erregt wird, das Objekt sich in eine Richtung bewegt, und wenn das andere Paar erregt wird, das Objekt sich in die andere Richtung bewegt. Die nicht- erregten Elektroden sind elektrisch floatend.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung, einen Mikromotor zu verwirklichen, der eine höhere Geschwindigkeit, eine größere Antriebskraft und eine kleinere minimale Schrittgröße als die Mikromotoren des Standes der Technik hat.
Dieses Ziel wird durch einen Mikromotor gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 12 erreicht.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein dünnes, rechteckiges piezoelektrisches Keramikelement auf, das mindestens eine Elektrode auf einer seiner großen Flächen, und eine Vielzahl von Elektroden auf der anderen großen Fläche hat. Bei einigen Ausführungsformen ist ein einziges Abstandsstück aus einem harten Material an der Mitte des kurzen Randes des piezoelektrischen Keramikelements befestigt, und dieses Abstandsstück wird gegen einen Körper gedrückt. Wenn mindestens einige der Elektroden elektrisch aufgeladen werden, wie unten beschrieben wird, erfolgt eine Bewegung entweder des piezoelektrischen Keramikelements oder des Körpers längs des Randes des piezoelektrischen Keramikelements.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die Abmessungen der rechteckigen großen Fläche vorzugsweise so gewählt, daß das piezoelektrische Keramikelement nahe beieinander liegende Resonanzen für x und y (die Abmessungen der großen, rechteckigen Fläche des piezoelektrischen Keramikelements) hat, wenn dies auch in verschiedenen Modi ist. Vorzugsweise haben die Resonanzen überlappende Frequenzkurven.
Die Erregung des piezoelektrischen Keramikelements kann dadurch bewirkt werden, daß eine Wechselspannung mit einer Frequenz, bei der beide Modi erregt werden, an ausgewählte Elektroden der Vielzahl von Elektroden angelegt wird. Bei dieser Ausführungsform wird die resonante Erregung während mindestens einer minimalen Zeitdauer angelegt, wenn eine kleine Verschiebung erforderlich ist, und sie kann während einer längeren Zeitdauer angelegt werden, wenn eine größere Verschiebung erforderlich ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Erregung ein nicht-resonanter, nicht- symmetrischer Spannungsimpuls, der auf gewisse Elektroden der Vielzahl von Elektroden gegeben wird. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat herausgefunden, daß dann, wenn ein solcher Impuls, zum Beispiel ein dreieckiger Impuls, der eine relativ größere Anstiegszeit als Abfallzeit hat, verwendet wird, eine extrem kleine Bewegung erreicht werden kann. Eine solche Erregung ist besonders nützlich, wenn gewünscht wird, daß nach der Bewegung keine restliche Spannung auf den Elektroden zurückbleibt.
Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Erregung umgeschaltet zwischen resonanter Wechselspannungserregung für relativ große Schritte und gepulster, vorzugsweise dreieckiger Erregung, wenn kleine Schritte erforderlich sind.
Gemäß der Erfindung ist eine gewisse Anzahl von Elektrodenkonfigurationen möglich. Bei einer Konfiguration weist die Vielzahl von Elektroden zwei rechteckige Elektroden auf, von denen jede die Hälfte von einer der rechteckigen Oberflächen des piezoelektrischen Keramikelements bedeckt, und längs der langen Richtung der großen rechteckigen Fläche des Keramikelements gelegen ist.
Eine zweite Elektrodenkonfiguration weist vier Elektroden auf, die die vier Viertel der großen Fläche des piezoelektrischen Keramikelements bedecken. Eine, zwei oder drei dieser Elektroden können erregt werden, wobei die verschiedenen Erregungsmodi (Wechselspannung und gepulste Spannung) und Erregungskonfigurationen größere oder kleine minimale Schrittgrößen für die durch den Motor hervorgerufene Bewegung ergeben.
Eine Anwendung der Erfindung umfaßt die Verwendung einer Vielzahl von gestapelten piezoelektrischen Keramikelementen, die die gleichen Resonanzfrequenzen haben, aber die vorzugsweise aus verschiedenen piezoelektrischen Materialien hergestellt sind, von denen eines wesentlich weicher als die anderen ist. Die Keramikelemente, die verschiedene Härten haben, werden durch phasenverschobene Signale bei der gleichen Frequenz angetrieben. Bei einem solchen System ergibt das härtere Material während des Teils des Zyklus, wo es den Körper antreibt, eine große Antriebskraft, und das weichere Material ergibt eine längere Kontaktzeit, aber mit einer kleineren Kraft. Diese Kombination ermöglicht einen starken Anlaufantrieb, um die Trägheit und statische Reibungskräfte zu überwinden, kombiniert mit einem gleichmäßigen Betrieb während der Bewegung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird aufgrund der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verständlich werden, wobei die Zeichnungen Folgendes darstellen:
Die Fig. 1A ist eine vereinfachte Ansicht eines piezoelektrischen Keramikelements, das bei einem Motor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
Die Fig. 1B und 1C geben eine erste Erregungskonfiguration (1C), gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, für das Element der Fig. 1 wieder, zusammen mit Modusdiagrammen (1B) für diese Konfiguration.
Die Fig. 1D und 1E geben eine zweite Erregungskonfiguration (1E), gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, für das Element der Fig. 1 wieder, zusammen mit Modusdiagrammen (1D) für diese Konfiguration.
Die Fig. 2 gibt Resonanzkurven für zwei nahe beieinander liegende Resonanzmodi des Elements der Fig. 1, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wieder.
Die Fig. 3 gibt eine Darstellung einer bi-morphologischen Bewegung eines bei einem Motor verwendbaren, piezoelektrischen Elements, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wieder.
Die Fig. 4 gibt einen Spannungsimpuls wieder, der dann, wenn er auf die Elektroden des in der Fig. 3 wiedergegebenen Elements gegeben wird, eine gesteuerte Bewegung eines Körpers, der Kontakt mit dem Element hat, hervorruft.
Die Fig. 5 ist teilweise ein Schaltbild, teilweise ein Blockschaltbild eines Motors zur Verwirklichung einer gesteuerten Bewegung, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 6 ist eine schematische Zeichnung einer Tandemkonfiguration von bei einem Motor verwendbaren, piezoelektrischen Keramikelementen, gemäß einer Anwendung der Erfindung.
Die Fig. 7 ist eine schematische Zeichnung einer Tandem/Parallel-Konfiguration von bei einem Motor verwendbaren, piezoelektrischen Keramikelementen, gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung.
Die Fig. 8A ist eine schematische Zeichnung eines fur eine x-y-Bewegung konfigurierten und ausgelegten piezoelektrischen Keramikelements, gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung.
Die Fig. 8B ist eine schematische Zeichnung von zwei für eine x-y-Bewegung konfigurierten und ausgelegten piezoelektrischen Keramikelementen, gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung.
Die Fig. 8C ist eine schematische partielle Zeichnung eines x-y-Tisches, bei dem die Ausführungsform der Fig. 8B verwendet wird.
Die Fig. 9 zeigt die Verwendung von piezoelektrischen Keramikelementen, gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung, die konfiguriert sind, um einen Zylinder oder eine Kugel zu drehen.
Die Fig. 10 zeigt eine alternative Elektrodenform für ein piezoelektrisches Keramikelement, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 11A-11C geben Elektrodenkonfigurationen wieder, die geeignet sind, um eine Vorbelastungskraft des piezoelektrischen Keramikelements gegen einen zu bewegenden Körper auszuüben.
Die Fig. 12 zeigt eine alternative Methode zum Montieren von piezoelektrischen Keramikelementen, gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung.
Die Fig. 13 zeigt eine Anwendung des in der Fig. 12 wiedergegebenen Montageprinzips beim Montieren von zwei piezoelektrischen Keramikelementen.
Die Fig. 14A, 14B und 14C zeigen alternative Konfigurationen, um einen keramischen Motor bei einem Tisch eines CD-Lesers zu verwenden, gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der Fig. 1A, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine große Fläche eines relativ dünnen, rechteckigen, piezoelektrischen Keramikelements 10 wiedergegeben, das für die Verwendung in einem Motor gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bestimmt ist. Vier Elektroden 14, 16, 18 und 20 sind auf die Fläche (nachstehend "die erste Fläche" genannt) des piezoelektrischen Keramikelements aufplattiert oder auf andere Weise darauf befestigt, um ein Schachbrettmuster von Rechtecken zu bilden, von denen jedes im wesentlichen ein Viertel der ersten Fläche bedeckt. Die entgegengesetzte Fläche des piezoelektrischen Keramikelements (nachstehend "die zweite Fläche" genannt) ist im wesentlichen mit einer einzigen Elektrode (nicht wiedergegeben) ganz bedeckt. Diagonal angeordnete Elektroden (14 und 20; 16 und 18) sind durch Drähte 22 und 24, die vorzugsweise nahe bei der Kreuzung zwischen den vier Elektroden angebracht werden, elektrisch miteinander verbunden. Die Elektrode auf der zweiten Fläche liegt vorzugsweise an Masse. In alternativer Weise können die Elektroden durch ähnliche Printplattentechniken, wie sie zur Bildung der Elektroden verwendet werden, miteinander verbunden werden.
Ein relativ hartes keramisches Abstandsstück 26 ist, zum Beispiel mit Kitt, an einem kurzen Rand 28 des piezoelektrischen Keramikelements 10 befestigt, vorzugsweise in der Mitte des Randes.
Das piezoelektrische Keramikelement 10 hat eine große Anzahl von Resonanzen. Insbesondere werden die Abmessungen des piezoelektrischen Keramikelements 10 so gewählt, daß die Resonanzen für Δx und Δy nahe beieinander liegen und überlappende Erregungskurven haben, wie in der Fig. 2 gezeigt ist. Die Resonanzen, die gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden, sind insbesondere eine Einhalb (1/2)-Modus-Resonanz für Δy und eine Eineinhalb (1 1/2)-Modus-Resonanz für Δx, wie in den Fig. 1B und 1D gezeigt ist. Es können jedoch auch andere Resonanzen verwendet werden, je nach den Abmessungen des Keramikelements 10.
Wenn das piezoelektrische Keramikelement 10 durch eine Frequenz erregt wird, die innerhalb des in der Fig. 2 mit ωo bezeichneten Bandes liegt, wird sowohl die Δx-, als auch die Δy-Resonanz erregt. Die Fig. 1C zeigt eine Konfiguration zur elektrischen Aufladung gewisser Elektroden, wodurch die zwei Resonanzen erregt werden. Für diese Konfiguration, bei der die Elektroden 16 und 18 elektrisch aufgeladen werden, und die Elektroden 14 und 20 an Masse liegen, sind die Modusamplituden in der Fig. 1B wiedergegeben. Bei dieser Konfiguration bewirkt die Erregung, daß Δx negativ ist, wenn Δy positiv ist, was eine Linksbewegung eines Körpers 30, der gegen das piezoelektrische Keramikelement gedrückt wird, zur Folge hat, wenn eine Bewegung des piezoelektrischen Keramikelements 10 verhindert wird. Die Oberfläche des Körpers 30 ist zwar als gekrümmte Oberfläche wiedergegeben, wie die Oberfläche eines Zylinders, der gedreht werden soll, aber sie kann auch eben sein, wenn eine lineare Bewegung gewünscht wird.
Für die in der Fig. 1E wiedergegebene Erregungskonfiguration, bei der die Elektroden 14 und 20 aufgeladen werden, und die Elektroden 16 und 18 an Masse liegen, ist der Δy-Modus der gleiche, aber der Δx-Modus ist in der Phase umgekehrt, wodurch eine Bewegung nach rechts hervorgerufen wird.
Vorzugsweise wird eine Bewegung des piezoelektrischen Keramikelements 10 durch zwei stationäre Halter 32 und 34 und zwei federbelastete Halter 36 und 38 verhindert. Die Halter 32-38 berühren das piezoelektrische Keramikelement 10 bei Punkten mit Nullbewegung in der x-Richtung längs der zwei langen Ränder 40 und 42 des Keramikelements. Diese Halter sind ausgelegt, um in der y-Richtung zu gleiten.
Eine solche Federbelastung ist vorgesehen, um die Abnutzungseffekte zu verringern und einen gewissen Schlagschutz für das piezoelektrische Keramikelement zu erhalten:
Ein federbelasteter Halter 44 wird vorzugsweise gegen die Mitte des dem kurzen Rand 28 gegenüberliegenden, zweiten kurzen Randes 43 des piezoelektrischen Keramikelements 10 gedrückt. Der Halter 44 erzeugt Druck zwischen dem keramischen Abstandsstück 26 und dem Körper 30, wodurch die Bewegung des keramischen Abstandsstücks 26 auf den Körper 30 übertragen wird. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der federbelastete Halter 44 eine viel langsamere zeitliche Reaktion hat als die Frequenz, bei der das piezoelektrische Keramikelement 10-erregt wird. Folglich bewegt sich die Fläche des keramischen Abstandsstücks 26, die gegen den Körper 30 gedrückt wird, während eines Teils des Zyklus, wenn sich das keramische Abstandsstück entgegengesetzt zu der Richtung der auf den Körper 30 übertragenen Bewegung bewegt, tatsächlich von dem Körper weg.
Vorzugsweise sind die federbelasteten Halter 36, 38 und 44 steife, feste Gummizylinder (Federn), vorzugsweise aus Silikongummi, der vorzugsweise eine Shore A-Härte von ungefähr 60 hat. In der Praxis können solche "Federn" dadurch hergestellt werden, daß ein Bereich eines O-Rings (wie diejenigen, die von Parker-Hannifin vertrieben werden) auf die gewünschte Größe zugeschnitten wird. Vorzugsweise sollte die Resonanz der Federn von den verwendeten Keramikelementen weit entfernt sein. Vorzugsweise wird ein hartes kugelförmiges oder halbkugelförmiges Element zwischen dem Federelement und dem Keramikelement angeordnet.
Die Abmessungen des piezoelektrischen Keramikelements 10 können 30 mm · 7,5 mm sein, bei einer Dicke zwischen 2 und 5 mm, wenn von der Morgan Matroc Inc. hergestelltes piezoelektrisches PZT- Material verwendet wird. Bei dieser Konfiguration können 30-500 Volt WS verwendet werden, um das piezoelektrische Keramikelement 10 zu erregen, je nach der gewünschten Geschwindigkeit, dem Gewicht des Körpers 30 (und/oder dem Druck der Feder 44), und der erforderlichen Leistung. Eine solche Vorrichtung arbeitet bei einer Frequenz in dem Bereich von 20-100 kHz, hat eine minimale Schrittgröße in dem Bereich von 10 Nanometer (nm), und eine maximale Geschwindigkeit von ungefähr 15-350 mm/sec (oder mehr). Diese Bereiche sind nur nominale Bereiche, und sie können variieren, je nach dem für das piezoelektrische Keramikelement 10 verwendeten Material, den Abmessungen, dem Resonanzmodus, der ausgewählt wird, und anderen Faktoren.
In der Praxis kann die größere Abmessung des Keramikelements zwischen 20 mm und 80 mm liegen, und die kleinere Abmessung kann zwischen 3 mm und 20 mm liegen. Zum Beispiel würde ein sehr langes und schmales Keramikelement (z. B. 3 mm · 80 mm) einen Motor mit einer sehr hohen Geschwindigkeit ergeben.
Vorzugsweise sollte das keramische Abstandsstück 26 die Resonanzmodi des Systems nicht beeinflussen. Eine Möglichkeit, um dies zu erreichen, ist, das Abstandsstück extrem dünn zu machen. Diese Methode ist jedoch oft nicht zweckmäßig. Eine zweckmäßigere Lösung ist, die Länge des Abstandsstücks nahezu gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge zu machen. In der Praxis sollte sie innerhalb von 1/10 einer solchen idealen Länge liegen. Die Anzahl der halben Wellenlängen sollte vorzugsweise kleiner oder gleich 5 sein. Außerdem sollte das keramische Abstandsstück die gleiche longitudinale Wellenlänge wie das Keramikelement haben. Ein bevorzugtes keramisches Material für das Abstandsstück 26 ist 99%iges Aluminiumoxid. In der Praxis hat sich ein keramisches Abstandsstück mit einer Länge von ungefähr 4-5 mm als für diesen Zweck geeignet erwiesen.
Bei den oben in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen erfolgt die Erregung des piezoelektrischen Keramikelements 10 in der Fig. 1A durch eine nahe bei den Resonanzen des piezoelektrischen Keramikelements liegende Wechselspannung. Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Methode erfolgt die Erregung durch eine gepulste unipolare Spannung. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform mit gepulster Erregung sind die Elektroden 14, 16, 18, 20 nicht auf eine feste Weise miteinander verbunden wie bei der Ausführungsform der Fig. 1, sondern sie sind auf verschiedene Weisen verbunden, je nach dem erforderlichen minimalen Schritt, wie unten beschrieben wird.
Das Prinzip, nach dem die gepulste Methode arbeitet, ist in der Fig. 3 wiedergegeben. In dieser Figur werden die Elektroden 14 und 18 durch eine positive Gleichspannung, und die Elektroden 16 und 20 durch eine negative Gleichspannung bezüglich der Elektrode auf der zweiten Seite des piezoelektrischen Keramikelements 10 erregt. Bei dieser Erregung wird die linke Seite des piezoelektrischen Keramikelements 10 länger als die rechte Seite (in der Fig. 3 stark übertrieben dargestellt), und das keramische Abstandsstück 26 bewegt sich nach rechts. Wenn die Spannung weggenommen wird, bewegt sich das keramische Abstandstück natürlich in seine ursprüngliche Position zurück. In alternativer Weise wird nur eines der Elektrodenpaare elektrisch aufgeladen, und das andere wird an Masse gelegt.
Bei einem alternativen gepulsten Betrieb des Motors werden die Elektroden 14 und 16 auf die gleiche Spannung aufgeladen, und die Elektroden 18 und 20 werden an Masse gelegt. Eine solche elektrische Aufladung ergibt auch eine sehr kleine Bewegung.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat jedoch herausgefunden, daß dann, wenn ein nicht- symmetrischer Spannungsimpuls, wie der in der Fig. 4 dargestellte, auf die Elektroden gegeben wird, während der Rückkehr nach Null der Körper nicht mit dem keramischen Abstandsstück 26 in die Ausgangsposition zurückkehrt. Vorzugsweise sollte die Abfallzeit des Impulses mindestens viermal so lang sein wie die Anstiegszeit. Eine gesamte Impulszeit von 10 bis 50 Millisekunden wird bevorzugt, aber die genauen Zeiten hängen von der Masse, die durch das piezoelektrische Keramikelement bewegt wird, und der Kraft der Feder 44 ab. Unter experimentellen Bedingungen ergaben eine Anstiegszeit von 1 Mikrosekunde und eine Abfallzeit von 15 Millisekunden ausgezeichnete Ergebnisse. Der minimale Schritt bei dieser Konfiguration hängt von der Impulsspannung ab und kann von 2-6 nm für Spitzenspannungen von 30-100 Volt variieren, bei einem größeren minimalen Schritt für größere Massen infolge der größeren Trägheit der Masse. Dieser Modus wird im allgemeinen nicht für große Bewegungen verwendet, aber er ist sehr nützlich für die endgültige Positionierung des zu bewegenden Objekts. Wenn die Polarität der Erregung umgekehrt wird, oder ein Impuls angelegt wird, der eine lange Anstiegszeit und eine kurze Abfallzeit hat, ergibt sich eine Bewegung in der entgegengesetzten Richtung. Die Bewegung des Körpers bei diesem Modus wird zwar nicht gut verstanden, aber es können extrem kleine Schritte erreicht werden.
Andere Konfigurationen zur Erregung der Elektroden mit solchen gepulsten Spannungen ergeben andere minimale Schrittwerte. Zum Beispiel ergibt die Erregung der Elektrode 14 mit einem positiven Impuls, und der Elektrode 16 mit einem negativen Impuls, während die Elektroden 18 und 20 an Masse liegen, einen minimalen Schritt von ungefähr 2-5 nm. Die Erregung der Elektroden 18 und 20 mit einem positiven bzw. negativen Impuls, während die Elektroden 14 und 16 an Masse liegen, ergibt einen minimalen Schritt von 5-8 nm. Ein ähnlicher Wert für den minimalen Schritt wird erreicht, wenn die Elektroden 14 und 18 mit einer Polarität gepulst werden, und die Elektrode 20 mit der entgegengesetzten Polarität gepulst wird (die Elektrode 16 liegt an Masse). Wenn die Elektroden an Masse gelegt werden, ergibt sich eine geringere Wirksamkeit als wenn die Elektroden floaten.
Bei einem besonders nützlichen differentiellen Modus werden die Elektroden 14 und 20 positiv gepulst, und die Elektroden 16 und 18 werden an Masse gelegt. Bei diesem Modus können sehr kleine minimale Bewegungen in dem Bereich von 0,1-2 nm erreicht werden. Die diagonalen Elektroden können mit Spannungen, die gleiche oder verschiedene Amplituden haben, gepulst werden.
Während die gepulste Erregung vorzugsweise bei den in der Fig. 8 wiedergegebenen Konfiguration verwendet wird, ist sie auch nützlich, wenn sie bei Konfigurationen des Standes der Technik, wie den oben beschriebenen von SU 693494 angewandt wird, wo jede der Elektroden getrennt erregbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors wird das piezoelektrische Keramikelement 10 zuerst durch eine Wechselspannung, wie sie in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, erregt, um eine schnelle Bewegung bis in die Nähe einer Zielposition hervorzurufen, und dann durch gepulste Wechselspannungen, wie sie in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 beschrieben wurden, erregt. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Motorsystems, bei dem eine solche Erregung vorgesehen ist, ist in der Fig. 5 in Form eines Blockdiagramms wiedergegeben.
Wie in der Fig. 5 gezeigt ist, weist ein Steuersystem 50 einen Controller, zum Beispiel einen Mikrocontroller 52 auf, der die Erregung von zwei geregelten Stromversorgungen 54 bzw. 56 und vier Schalter/Modulator-Schaltungen 58, 60, 62 und 64 steuert. Jeder der Schaltermodulatoren ist mit einer der Elektroden 14, 16, 18 oder 20 verbunden. Die Elektrode auf der zweiten Fläche ist mit der Masse verbunden, vorzugsweise über eine Abstimmspule 66.
Der Mikrocontroller 52 erhält vorzugsweise Positionssignale von einem Positionsindikator 68, der die Position des Körpers 30 anzeigt und eine Rückkopplung nach dem Mikrocontroller 52 liefert. Der Mikrocontroller 52 erhält auch vorzugsweise Positions- (oder Bewegungs)-Befehle und nach Wahl Geschwindigkeitsbefehle von einer Benutzer-Schnittstelle 70.
Beim Betrieb erhält der Mikrocontroller 52 einen Positionsbefehl von der Benutzer-Schnütstelle 70, und vergleicht diesen Positionsbefehl mit der von dem Indikator 68 angezeigten, tatsächlichen Position. Wenn der Befehl ein Bewegungsbefehl ist, wird die Position nur für einen späteren Vergleich festgehalten.
Der Mikrocontroller 52 hält den erforderlichen Betrag der Bewegung fest, und aufgrund von vorgegebenen Optimierungskriterien entscheidet er, ob der WS-Modus oder der gepulste Modus geeignet ist, und in welche Richtung der Körper sich bewegen muß. Geeignete Signale werden nach den Schalter/Modulator-Schaltungen gesandt, so daß diese entweder Wechselspannungen oder gepulste Spannungen oder ein Massepotential für die einzelnen Elektroden erzeugen, damit das piezoelektrische Keramikelement 10 in einer geeigneten Erregungskonfiguration arbeitet, wie oben beschrieben wurde. Wenn die zurückzulegende restliche Entfernung unter ein geeignetes Niveau abgesunken ist, schaltet der Mikrocontroller 52 um nach einem Modus mit hoher Auflösung und niedriger Geschwindigkeit, bei dem eine geeignete gepulste Erregung verwendet wird, wie oben in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 beschrieben wurde. Verschiedene Änderungen bei der Erregungsform können zweckmäßig sein, wenn hohe Positionsgenauigkeiten gewünscht werden. Wenn der Körper 30 bei dem Zielpunkt ankommt, wird die Erregung der Elektroden beendet.
Die Spule 66 wird verwendet, um die elektrische Resonanz des piezoelektrischen Keramikelements 10 und die zugehörige Verdrahtung auf die gleiche Frequenz wie die mechanischen Resonanzen des piezoelektrischen Keramikelements 10 abzustimmen. Da die elektrische Schaltung weitgehend aus der durch die Elektroden auf der ersten und zweiten Fläche des piezoelektrischen Keramikelements 10 gebildeten Kapazität besteht, ist es zweckmäßig, eine Spule, wie die Spule 66 hinzuzufügen, um diese Kapazität "auszustimmen" und die Wirksamkeit des Systems zu verbessern.
Obwohl die Bewegungssteuerung des Systems bezüglich eines System mit geschlossenem Regelkreis beschrieben wurde, ist ein Betrieb mit offenem Regelkreis bei niedrigerer Genauigkeit möglich. Bei dem Betrieb mit geschlossenem Regelkreis kann angenommen werden, daß das System größere Genauigkeiten als ungefähr 0,5 nm erreichen kann. Bei Betrieb mit offenem Regelkreis kann der Betrag der Bewegung ziemlich genau abgeschätzt werden, und die Position kann mit einer Genauigkeit von ungefähr 0,1% bis 1% des gesamten Betrages der Bewegung gesteuert werden.
Bei einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Motors kann ein Vielzahl von piezoelektrischen Keramikelementen so konfiguriert werden, daß die Leistung des Motors erhöht wird, und eine eventuelle Variabilität, die zwischen verschiedenen Einheiten besteht, verringert wird. Eine solche Konfiguration, die in der Fig. 6 wiedergegeben ist, umfaßt zwei piezoelektrische Keramikelemente 10 und 10' in einer Tandemkonfiguration, d. h., in einer Konfiguration, bei der die zwei Keramikelemente in der Richtung der durch die piezoelektrischen Keramikelemente 10 und 10' hervorgerufenen Bewegung als Tandem angeordnet sind. Die zwei piezoelektrischen Keramikelemente können durch ein gemeinsames Steuersystem 50, wie das in der Fig. 5 wiedergegebene Steuersystem, oder durch getrennte Steuersysteme angetrieben werden. Zwecks klarer Darstellung sind die Steuersysteme und die elektrischen Verbindungen in der Fig. 6 nicht wiedergegeben.
Wie in der Fig. 6 gezeigt ist, werden die piezoelektrischen Keramikelemente 10 und 10' von einem dazwischen angeordneten Abstandsstück 74 getragen und durch dieses Abstandsstück getrennt. Vier federbelastete Seitenhalter 76 und zwei federbelastete Endhalter 78 tragen die zwei piezoelektrischen Keramikelemente auf ziemlich die gleiche Weise, wie oben bezüglich der Ausführungsform der Fig. 1 beschrieben wurde. In der Praxis werden die piezoelektrischen Keramikelemente 10 und 10' auch daran gehindert, sich senkrecht zu der Fläche der piezoelektrischen Keramikelemente zu bewegen, vorzugsweise durch Verlängerungen des Abstandsstückes 74 und der federbelasteten Halter 76 und 78. Solche Behinderungen für die Bewegung sind in der Fig. 7 wiedergegeben.
Die Fig. 7 gibt sechs piezoelektrische Keramikelemente wieder, die in einer Tandem/Parallel- Konfiguration mit 2 mal 3 Einheiten konfiguriert sind. Infolge der Beschränkungen bei der Darstellung sind die federbelasteten Halter und der Mechanismus, um das Abstandsstück 74 gegen die piezoelektrischen Keramikelemente zu drücken, nicht wiedergegeben, aber der bevorzugte Tragmechanismus ist derjenige, der in der Fig. 6 wiedergegeben ist. Andere Konfigurationen, wie eine 2 · 4-Tandem/Parallel- Konfiguration, sind auch verwendbar.
Bei einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Motors sind die bei den Ausführungsformen der Fig. 6 und 7 verwendeten, piezoelektrischen Keramikelemente nicht alle gleich. Bei dieser Anwendung der Erfindung bestehen eines oder mehr der piezoelektrischen Keramikelemente aus einem relativ harten Material, wie PZT-8 (hergestellt von der Morgan Matroc Inc.), und eines oder mehr der piezoelektrischen Keramikelemente bestehen aus einem weicheren Material, wie PZT-SH (hergestellt von Morgan Matroc). Die zwei Arten von Materialien können physisch so konfiguriert werden, daß sie die gleiche x- und y- Abmessung haben, und die gleichen Resonanzen und Resonanzfrequenzen können durch Anpassen der Dicke der verschiedenen piezoelektrischen Keramikelemente erhalten werden. In alternativer Weise kann die gleiche Dicke für beide Materialien verwendet werden. Bei einer solchen Konfiguration stellt das breitere Q des weichen Materials sicher, daß sowohl das härtere, als auch das weichere Material bei der gleichen Frequenz ausreichend erregt werden.
Wenn das weichere piezoelektrische Keramikelement elektrisch aufgeladen wird, ist die Amplitude der Resonanz bei sowohl Δx, als auch Δy größer, und der Bereich (Zeit) der Periode, während dem das keramische Abstandsstück 26 den Körper berührt, ist größer als bei dem härteren piezoelektrischen Keramikelement. Der Betrag der Antriebskraft, den das weichere piezoelektrische Keramikelement überträgt, ist jedoch naturgemäß geringer, und die Ungleichmäßigkeit der Bewegung ist auch geringer.
Bei einer Anwendung der Erfindung, bei der beide in dem vorherigen Abschnitt beschriebenen Typen von piezoelektrischen Keramikelementen verwendet werden, bewirkt das härtere piezoelektrische Keramikelement, daß die statische Reibung und andere Trägheitskräfte überwunden werden, und das weichere piezoelektrische Keramikelement bewirkt, daß sich eine gleichmäßigere, genauere Bewegung mit gleichmäßigeren Stopps und Starts ergibt als wenn nur ein hartes piezoelektrisches Keramikelement verwendet wird.
Bei einer Anwendung der Erfindung werden die zwei Typen von Keramikelementen phasenverschoben (180º Phasendifferenz) erregt. Auf diese Weise wirken die zwei Typen von piezoelektrischen Keramikelementen auf eine im wesentlichen unabhängige Weise (bei verschiedenen Teilen des Erregungszyklus), und es gibt ein Minimum an Reibung infolge der unterschiedlichen Bewegungen der zwei Typen von piezoelektrischen Keramikelementen. Bei einer Anwendung der Erfindung wird die Phasenumkehr durch Verwendung von Keramikelementen mit umgekehrten Polarisationsrichtungen für die zwei Keramikelemente erreicht. In alternativer Weise können die Spannungen phasenverschoben angelegt werden. Der Betrieb der Keramikelemente mit umgekehrter Phase ist auch nützlich, wenn zwei piezoelektrische Keramikelemente mit identischen Charakteristiken verwendet werden.
Eine X-Y-Bewegung; die alle Vorteile der vorliegenden Erfindung aufweist, ist auch möglich.
Eine Konfiguration zur Erzeugung einer X-Y-Bewegung ist in der Fig. 8A wiedergegeben. Ein integraler X-förmiger Abschnitt 90 ist aus piezoelektrischem Keramikmaterial gebildet und hat vordere und hintere Elektroden, die auf den größeren ebenen inneren Flächen des Abschnitts gebildet sind. Die inneren Flächen, die nicht gezeigt sind (und die den ganz oder teilweise gezeigten Flächen gegenüberliegen), weisen eine einzige Elektrode auf, die sich über die gesamte Fläche erstreckt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen diese einzelnen Elektroden an Masse (oder sind in alternativer Weise mit der Masserückleitung der Stromversorgung des Systems verbunden), und die gezeigten Elektroden werden gemäß den oben beschriebenen Schaltbildern aktiviert. Um einen X-Y-Tisch mit einer solchen Vorrichtung zu bauen, wäre nur erforderlich, das Keramikelement festzuhalten, wie dies oben gemäß den Fig. 1 und 7 beschrieben wurde, und einen ebenen Tisch hinzuzufügen, der das keramische Abstandsstück 26 berührt. Eine gewisse Anzahl solcher x-förmigen Abschnitte 90 aus dem gleichen Keramikmaterial oder verschiedenen Keramikmaterialien kann in einer Parallel-Tandem-Konfiguration verwendet werden, wie dies oben bezüglich der Fig. 6 und 7 beschrieben wurde.
Die Fig. 8B gibt eine zweite, einfacher darzustellende, aber weniger kompakte Konfiguration wieder, bei der zwei piezoelektrische Keramikelemente, wie die in der Fig. 1 wiedergegebenen, zusammengekittet sind, um eine x-Bewegung an einem Ende, und eine y-Bewegung an dem anderen Ende zu erreichen.
Ein x-y-Tisch 100, der gemäß einer Anwendung der vorliegenden Erfindung gebaut wurde, und bei dem die Konfiguration der Fig. 8B verwendet wird, ist in vereinfachter Form in der Fig. 8C wiedergegeben. Der Tisch 100 weist zwei piezoelektrische Keramikelemente 10 in der Konfiguration der Fig. 5B auf, die zwischen einer stationären Basis 102 und einer Tischplatte 104 angeordnet sind. Halter 106, 108, 110, 112, 114 und 116, 118, 120 haben eine ähnliche Form und Funktion wie die Halter 32, 34, 36 und 38 der Fig. 1. Alle Halter 106-120 sind zusammen auf einer Montagevorrichtung (zwecks klarer Darstellung nicht wiedergegeben) angebracht, aber nicht an der Basis 102 befestigt. Gleitstücke, die eine Gleitbewegung in der x-Richtung (durch Pfeile 122 gekennzeichnet) zwischen der Montagevorrichtung und der Basis 102 ermöglichen, können jedoch vorgesehen werden und werden an der Montagevorrichtung befestigt.
Ein Satz Gleitstücke 124, 126 und 128 ist vorgesehen, um eine Bewegung der Tischplatte 104 bezüglich der Montagevorrichtung in der durch die Pfeile 130 gekennzeichneten y-Richtung zu ermöglichen. Die Gleitstücke 124-128 können an der Montagevorrichtung befestigt werden.
Zusammenfassend kann gesagt werden: Die Montagevorrichtung umfaßt Halter für das obere und untere piezoelektrische Keramikelement 10, und Gleitstücke, die eine Gleitbewegung der Montagevorrichtung bezüglich der Basis 102 in der x-Richtung, und der Tischplatte 104 bezüglich der Montagevorrichtung in der y-Richtung ermöglichen.
Im Betrieb bewirkt eine Aktivierung des unteren piezoelektrischen Keramikelements, daß dieses Keramikelement sich in der x-Richtung bewegt. Da eine Bewegung der Tischplatte 104 in der x-Richtung durch die Montagevorrichtung verhindert wird, bewegt sich die Tischplatte um den gleichen Betrag wie die Montagevorrichtung in der x-Richtung. Folglich bewirkt eine Aktivierung des unteren piezoelektrischen Keramikelements eine x-Bewegung der Tischplatte 104. Wenn das obere piezoelektrische Keramikelement aktiviert wird, bewegt sich die Tischplatte 104 in der y-Richtung bezüglich der Montagevorrichtung. Da eine Bewegung der Montagevorrichtung in der y-Richtung bezüglich der Basis verhindert wird, bewegt sich die Tischplatte 104 bezüglich der Basis 102.
Eine selektive Aktivierung des oberen und unteren piezoelektrischen Keramikelements ergibt eine x-y-Bewegung der Tischplatte 104 bezüglich der Basis 102, die alle Vorteile der Ausführungsformen für die lineare Bewegung hat, die oben bezüglich der Ausführungsformen und Anwendungen der Fig. 1-7 wiedergegeben wurden. Eine Aktivierung von nur einem der piezoelektrischen Keramikelemente ergibt eine Bewegung in nur einer Richtung.
Wenn die oben dargelegten Prinzipien angewandt werden, ist eine x, y, z-Bewegung oder eine x, y, θ-Bewegung oder eine Bewegung längs einer Vielzahl von nicht-orthogonalen Achsen möglich, wobei ein verschiedenes Keramikelement verwendet wird, um eine Bewegung längs jeder der Achsen hervorzurufen.
Außerdem ergeben Tandem- und Serienanordnungen von piezoelektrischen Keramikelementen von verschiedener oder gleicher Härte ähnliche Verbesserungen wie diejenigen, die bei den Fig. 6 und 7 für solche Tandemanordnungen bezüglich Vorrichtungen mit linearer Bewegung beschrieben wurden.
Die Verwendung von piezoelektrischen Keramikelementen gemäß einer Anwendung der vorliegenden Erfindung, um eine Drehbewegung zu erhalten, ist in der Fig. 9 dargestellt, in der eine Tandemkonfiguration von piezoelektrischen Keramikelementen 150, die der in der Fig. 6 wiedergegebenen Konfiguration ähnlich ist, ausgelegt ist, um sich an einen Zylinder 152 anzupassen und diesen Zylinder zu drehen. Bei einer solchen Konfiguration haben die Oberflächen der keramischen Abstandsstücke 26 vorzugsweise eine konkave Form, die sich an die Oberfläche des Zylinders 152 anpaßt. Anstelle der Konfiguration 150 kann auch ein einziges piezoelektrisches Keramikelement, das dem in der Fig. 1 wiedergegebenen Keramikelement ähnlich ist, oder eine beliebige Anzahl von kreisförmig angeordneten piezoelektrischen Keramikelementen verwendet werden.
Wenn eine kreisförmige Bewegung und eine Drei-Achsen-Positionierung einer Kugel erforderlich sind, würde eine Konfiguration wie diejenige der Fig. 9, modifiziert durch Hinzufügung von drei orthogonal angeordneten keramischen Strukturen, die der Konfiguration 150 ähnlich sind, verwendet, um die Kugel zu drehen und zu positionieren. Wenn nur eine Drehung (und keine Drei-Achsen-Positionierung) erforderlich ist, würden zwei orthogonale Antriebe genügen. Bei dieser Anwendung würde die äußere Oberfläche des keramischen Abstandsstücks 26 so geformt sein, daß es sich an die Oberfläche der Kugel anpaßt.
Wenn diese Anwendungen verwendet werden, ist eine verbesserte Kombination von Geschwindigkeit, Genauigkeit und Antriebskraft möglich. Wenn nur ein einziger keramischer Schuh 26 vorgesehen wird, kann eine größere Kraft verwendet werden, um den keramischen Schuh gegen die Körper 30 zu drücken, als bei den Ausführungen des Standes der Technik, die Rißbildung unterworfen sind, wenn eine übermäßige Kraft verwendet wird. Die Verwendung von Tandem-Keramikelementen ergibt in unerwarteter Weise eine große Zunahme der Antriebskraft und der Geschwindigkeit. Im allgemeinen können bei diesen Anwendungen bei gleichem Volumen des piezoelektrischen Keramikelements sowohl höhere Geschwindigkeiten, als auch eine höhere Antriebskraft erreicht werden.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat auch herausgefunden, daß dann, wenn rechteckige Elektroden verwendet werden, wie bei den obigen Ausführungsformen gezeigt ist, die Bewegung nicht vollständig linear ist, d. h., infolge der drehenden Natur der Bewegung des keramischen Abstandsstücks 26 berührt während des Betriebs nur ein Teil des keramischen Abstandsstücks den Körper 30. Die Linearität kann verbessert werden, wenn die Elektroden geformt werden, wie zum Beispiel in der Fig. 10 gezeigt ist, wo 14', 16', 18' und 20' linearisierende Versionen der in den vorherigen Figuren gezeigten Elektroden ohne Strichindex sind. Obwohl in der Fig. 10 eine sinusförmige Variante wiedergegeben ist, sind auch andere Elektrodenkonfigurationen möglich, um die Linearität der Vorrichtung zu verbessern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die in der Fig. 11 wiedergegebene Elektrodenkonfiguration verwendet. Bei dieser Ausführungsform wird, zusätzlich zu den Elektroden 14, 16, 18 und 20, eine weitere Elektrode 150 auf das piezoelektrische Keramikelement 10 aufgebracht. Die Elektrode 150, die sich vorzugsweise im wesentlichen längs der gesamten Breite des Keramikelements 10 erstreckt, wird durch Gleichspannung oder durch eine Harmonische der bei den anderen Elektroden verwendeten Spannungen erregt. Der Effekt einer solchen Erregung ist, das Keramikelement 10 zu dehnen, und eine Vorbelastung des Motors gegen das zu bewegende Objekt zu bewirken. Wenn eine harmonische Erregung verwendet wird, kann diese Vorbelastung mit der Erregung der anderen Elektroden synchronisiert werden, um eine erhöhte Kontaktzeit zwischen dem keramischen Abstandsstück 26 und dem zu bewegenden Objekt zu erhalten. Während es im Prinzip möglich ist, die Feder 44 bei einem solchen System wegzulassen, ist in der Praxis die Verwendung einer elastischen Belastung (die viel langsamer anspricht als das piezoelektrische Keramikelement) nützlich, und sie kann sogar erforderlich sein.
Eine alternative Montagemethode, die für sowohl einzelne, als auch mehrfache keramische Motoren geeignet ist, ist in der Fig. 12 wiedergegeben. Bei dieser Montagemethode werden in der Mitte des Keramikelements 10 und bei 1/6 und 5/6 der longitudinalen Mittellinie des Keramikelements 10 Löcher in dem Keramikelement 10 gebildet. Diese Löcher haben vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 20% und 30% der Breite des Keramikelements 10. Stifte 152, die ein Spiel von ungefähr 100 Mikrometer haben, werden in die Löcher eingesetzt, wobei mindestens ein Ende an einem Ende der Hebel 154, 156 und 158 befestigt ist. Die Stifte können aus einem Material bestehen, das eine akustische Geschwindigkeit hat, die gleich der Geschwindigkeit in dem Keramikelement 10 ist. Die Stifte können aus Metall oder Keramik oder irgendeinem anderen geeigneten Material sein.
Bei der Resonanz des Keramikelements 10, das bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, erfolgt bei den Löchern nur eine Bewegung des Keramikelements in der Richtung seiner langen Achse. Bei dem mittleren Loch erfolgt in der Tat im wesentlichen keine Bewegung. Wenn die anderen Enden der Hebel an einem stationären Körper 160 drehbar befestigt sind, wird das Keramikelement 10 gezwungen, sich nur längs seiner Längsachse zu bewegen. Dies ermöglicht, die Federn 36 und 38 wegzulassen. Außerdem kann die Feder 44 durch eine Feder 44' ersetzt werden, die einen der Hebel in die Richtung des zu bewegenden Objekts drückt, und folglich den Motor gegen das zu bewegende Objekt belastet. Eine Vielzahl solcher Federn kann verwendet werden, um andere der Hebel zu belasten.
Das gleiche Prinzip kann bei einer vereinfachten Montage von zwei nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Keramikelementen 10 und 10' angewandt werden, wie in der Fig. 13 gezeigt ist. Bei dieser Konfiguration sind die zwei Keramikelemente unter Verwendung der oben beschriebenen Methode auf fünf Hebeln 162, 164, 166, 168 und 170 angebracht. Dabei sollte angemerkt werden, daß der Hebel 170 ein einzelner Hebel ist, der vorzugsweise an der Mitte beider Keramikelemente befestigt ist, und in seiner Mitte an einer Platte 172 fest angebracht ist. Die anderen Hebel sind an einem Ende an einem Loch in einem der Keramikelemente drehbar befestigt, und an ihren anderen Enden an der Platte 172 drehbar befestigt. Eine Feder 44" wird gegen die Platte 172 gedrückt, die gezwungen wird, sich nur in der vertikalen Richtung zu bewegen, um die Keramikelemente 10 und 10' gegen das zu bewegende Objekt zu belasten.
Bei einer alternativen Konfiguration ist die Platte 172 nicht federbelastet. Jedes der Keramikelemente 10 und 10' wird jedoch an seinem unteren Ende durch Federn (nicht wiedergegeben) getrennt belastet. Einem Fachmann auf diesem Gebiet wird natürlich eine große Vielfalt von Montagemethoden, bei denen das Hebelprinzip verwendet wird, einfallen.
Ein großer Vorteil der Montage der piezoelektrischen Keramikelemente auf Stiften, wie oben beschrieben, ist die wesentliche Verringerung der Temperatur der Keramikelemente, die durch Wärmeableitung von den Befestigungspunkten, die auch heiße Punkte sind, erreicht wird. Insbesondere wurde herausgefunden, daß bei Verwendung dieser Methode die Temperatur dieser Punkte von 50-80ºC auf ungefähr 30ºC verringert werden kann.
Der Kühleffekt der Stifte wird verstärkt, wenn die Wärmeleitung von dem Keramikelement nach den Stiften gut ist. Um eine solche Wärmeleitung sicherzustellen, sollte der Stift in ein wärmeleitendes, relativ weiches Material, wie ein Elastomer, mit dem die innere Wand der Löcher beschichtet ist, eingepaßt werden. Ein solches geeignetes Material ist Epoxy, bei dem eine ungenügende Menge Härter verwendet wird. Ein solches Material ist elastisch genug, um die kleinen begrenzten Drehungen der Stifte in den Löchern aufzunehmen. Das Epoxy kann mit ungefähr 40% PZT-Pulver (aus dem gleichen Material wie das piezoelektrische Keramikelement) gefüllt werden. Eine solche Füllung hilft, die akustische Geschwindigkeit des Epoxys an diejenige der piezoelektrischen Keramikelemente anzupassen.
Außerdem wurde herausgefunden, daß die Bewegung der zu bewegenden Vorrichtung aufgrund der Zeitdauer, während der das keramische Abstandsstück 26 in Kontakt mit dem zu bewegenden Objekt ist, abgeschätzt werden kann. Um eine solche Messung zu erleichtern, wird die Oberfläche des keramischen Abstandsstücks, die zu dem zu bewegenden Objekt hin gerichtet ist, mit Metall beschichtet, und eine Elektrode wird an dieser Beschichtung befestigt, wobei sich die Beschichtung zu diesem Zweck bis zu der Seite des keramischen Abstandsstücks 26 erstreckt. Das zu bewegende Objekt ist aus Metall (oder hat eine Metallbeschichtung), und die Zeitdauer kann gemessen werden als die Zeit, während der ein Kurzschluß zwischen der Metallbeschichtung des keramischen Abstandsstücks 26 und dem zu bewegenden Objekt besteht.
Die Fig. 14A, 14B und 14C zeigen die Anwendung eines keramischen Motors bei der Bewegung eines Tischs, wie demjenigen, der bei dem Leser einer optischen Disk, wie einem CD-Leser verwendet wird. Bei einer solchen Vorrichtung ist ein Tisch 160 auf mindestens einer Schiene, wie einem Stab 162 angebracht. Der Tisch 160 ist mit einem Loch 164 gebildet, durch das ein optischer Leser (zwecks einfacher Darstellung nicht wiedergegeben), der auf dem Tisch 160 angebracht ist, eine optische Disk sieht (und liest).
In der Fig. 14A ist der Tisch 160 auf zwei Schienen 162 angebracht, und ein keramischer Motor 166, der einer der hier beschriebenen Typen sein kann, ist mit einem Rand des Schlittens 160 funktionsfähig kombiniert, so daß eine Bewegung des Tischs längs der Schienen hervorgerufen wird.
In den Fig. 14B und 14C ist eine Seite des Tischs 160 auf einer Schiene angebracht, und die andere Seite ist über eine Zahnstange 170 auf einer Schnecke 168 angebracht. Ein keramischer Motor 172, der einer der hier beschriebenen Typen sein kann, treibt ein Rad 174 an, das auf einem Ende der Schnecke angebracht ist. Die Fig. 14B und 14C unterscheiden sich darin, wie der Motor das Rad antreibt.
Für Fachleute auf diesem Gebiet ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt ist, was hier im besonderen wiedergegeben und beschrieben wurde. Vielmehr wird der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung nur durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert.

Claims

1. Mikromotor zum Bewegen eines Körpers, aufweisend:

eine im wesentlichen rechteckige piezoelektrische Platte (10), die eine erste und eine zweite Fläche, und zwei lange und zwei kurze Ränder (40, 42; 28, 43) hat;

eine Vielzahl von Elektroden (14, 16, 18, 20), die auf der ersten Fläche der Platte gelegen sind, und eine Elektrode, die auf der zweiten Fläche gelegen ist; und

eine Quelle der elektrischen Erregung (50), die eine Vielzahl von Anschlüssen hat, die mit den Elektroden verbunden sind;

Mittel, um mindestens einen der Anschlüsse so elektrisch aufzuladen, daß durch die Mittel zum elektrischen Aufladen eine Spannung zwischen einigen, aber nicht allen Elektroden auf der ersten Fläche und der Elektrode auf der zweiten Fläche angelegt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Vielzahl von Elektroden, die auf der ersten Fläche gelegen sind, und an die keine Spannung angelegt wird, geerdet sind.

2. Mikromotor gemäß Anspruch 1, wobei die Spannung eine Wechselspannung ist.

3. Mikromotor gemäß Anspruch 1, wobei die Spannung eine unipolare gepulste Spannung ist.

4. Mikromotor gemäß Anspruch 3, wobei die unipolare gepulste Spannung eine asymmetrische unipolare gepulste Spannung ist.

5. Mikromotor gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei die unipolare gepulste Spannung eine dreieckige Spannung ist.

6. Mikromotor gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Elektroden aufweist:

vier Elektroden (14, 16, 18, 20), die in den durch eine zu dem langen Rand parallele Linie und eine zu dem kurzen Rand parallele Linie dargestellten vier Bereichen der ersten Fläche angeordnet sind, und wobei:

die Quelle der elektrischen Erregung funktionsfähig ist, um die Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Paar diagonal gelegener Elektroden und der Elektrode auf der zweiten Fläche anzulegen, während ein zweites Paar diagonal angeordneter Elektroden nicht elektrisch aufgeladen wird.

7. Mikromotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-5, wobei die Vielzahl von Elektroden aufweist:

die Quelle der elektrischen Erregung funktionsfähig ist, um eine verschiedene Spannungsdifferenz zwischen einer Elektrode auf der ersten Fläche und der Elektrode auf der zweiten Fläche anzulegen, während die anderen Elektroden auf der einen Fläche nicht elektrisch aufgeladen werden.

8. Mikromotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-5, wobei die Vielzahl von Elektroden aufweist:

die Quelle der elektrischen Erregung funktionsfähig ist, um eine verschiedene Spannungsdifferenz zwischen zwei nicht-diagonal gelegenen Elektroden auf der ersten Fläche und der Elektrode auf der zweiten Fläche anzulegen, während die anderen Elektroden auf der ersten Fläche nicht elektrisch aufgeladen werden.

9. Mikromotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-5, wobei die Vielzahl von Elektroden aufweist:

die Quelle der elektrischen Erregung funktionsfähig ist, um eine verschiedene Spannungsdifferenz zwischen drei Elektroden auf der ersten Fläche und der Elektrode auf der zweiten Fläche anzulegen, während die andere Elektrode auf der ersten Fläche nicht elektrisch aufgeladen wird.

10. Mikromotor gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die auf der zweiten Fläche gelegene Elektrode geerdet ist.

11. Mikromotor gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die auf der zweiten Fläche gelegene Elektrode im wesentlichen die ganze zweite Fläche bedeckt.

12. Verfahren zum elektrischen Aufladen eines Mikromotors zum Bewegen eines Körpers, wobei der Mikromotor eine im wesentlichen rechteckige piezoelektrische Platte (10) aufweist, die eine erste und eine zweite Fläche, und zwei lange und zwei kurze Ränder (40, 42; 28, 43) hat, und eine Vielzahl von Elektroden (14, 16, 18, 20) aufweist, die auf einer Fläche der Platte gelegen sind, und eine Elektrode aufweist, die auf der zweiten Fläche gelegen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt:

Anlegen einer Spannung an einige, aber nicht alle Elektroden der Vielzahl von Elektroden auf der ersten Fläche, und Erden der nicht elektrisch aufgeladenen Elektroden der Vielzahl von Elektroden auf der ersten Fläche.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Erregung eine Wechselspannung ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Erregung eine unipolare gepulste Spannung ist.

15. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 14, wobei die Erregung eine asymmetrische unipolare gepulste Spannung ist.

16. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 12, 14 und 15, wobei die Erregung eine dreieckige Spannung ist.

17. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 12-16, wobei die Vielzahl von Elektroden vier Elektroden (14, 16, 18, 20) aufweist, die in den durch eine zu dem langen Rand parallele Linie und eine zu dem kurzen Rand parallele Linie dargestellten vier Bereichen der ersten Fläche angeordnet sind, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte aufweist:

Anlegen einer Spannung an ein erstes Paar diagonal gelegener Elektroden, während das zweite Paar diagonal gelegener Elektroden nicht elektrisch aufgeladen wird.

18. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 12-16, wobei die Vielzahl von Elektroden vier Elektroden (14, 16, 18, 20) aufweist, die in den durch eine zu dem langen Rand parallele Linie und eine zu dem kurzen Rand parallele Linie dargestellten vier Bereichen der ersten Fläche angeordnet sind, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte aufweist:

Anlegen einer Spannung an eine einzige Elektrode auf der ersten Fläche, während an die anderen Elektroden auf der ersten Fläche keine Spannung angelegt wird.

19. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 12-16, wobei die Vielzahl von Elektroden vier Elektroden (14, 16, 18, 20) aufweist, die in den durch eine zu dem langen Rand parallele Linie und eine zu dem kurzen Rand parallele Linie dargestellten vier Bereichen der ersten Fläche angeordnet sind, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte aufweist:

Anlegen einer Spannung an drei Elektroden auf der ersten Fläche, während an die vierte Elektrode auf der ersten Fläche keine Spannung angelegt wird.

20. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 12-19, wobei das Verfahren Erden der Elektrode auf der zweiten Fläche umfaßt.