DE69932359T2

DE69932359T2 - Vielschicht piezoelektrischer motor

Info

Publication number: DE69932359T2
Application number: DE69932359T
Authority: DE
Inventors: Izhak Rafaeli; Lior Shiv; Nir Karasikov; Ze'ev Ganor
Original assignee: Nanomotion Ltd
Current assignee: Nanomotion Ltd
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2019-06-01
Also published as: EP1186063A1; AU4056799A; DK1186063T3; US7211929B2; DE69932359D1; US20060175930A1; US7075211B1; EP1577961A1; JP4813708B2; DK1577961T3; EP1186063B1; WO2000074153A1; DE69941195D1; JP2003501988A; EP1577961B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Motoren, insbesondere piezoelektrische Vielschicht-Motoren, die aus Schichten piezoelektrischen Materials ausgebildet sind.
Hintergrund der Erfindung
Piezoelektrische Mikromotoren mit verschiedenen Formen und Eigenschaften zum Antreiben von beweglichen Maschinenelementen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die veröffentlichte europäische Patentanmeldung EP-A-0 636 616 beschreibt einen piezoelektrischen Mikromotor, der einen relativ großen Leistungsbetrag zum Antreiben eines beweglichen Körpers bereitstellen kann.
Der piezoelektrische Mikromotor umfasst eine dünne rechteckige piezoelektrische Platte mit kurzen und langen Kantenoberflächen und großen parallelen Stirnseiten-Oberflächen. Eine der langen Stirnseiten-Oberfläche weist eine einzelne große Elektrode auf, die im Wesentlichen die gesamte Fläche der Stirnseiten-Oberfläche überdeckt. Die andere große Stirnseiten-Oberfläche hat vier „Quadranten"-Elektroden, die in einem Schachbrett-Muster angeordnet sind, wobei jede der Quadrantenelektroden im Wesentlichen die gesamte Fläche eines Quadranten der Stirnseiten-Oberfläche überdeckt.
Um Bewegung auf einen beweglichen Körper zu übertragen, ist ein Bereich einer kurzen Kantenoberfläche der piezoelektrischen Platte oder einer verschleißfesten Erweiterung der piezoelektrischen Platte, im Weiteren als „Kontaktbereich" bezeichnet, federnd auf einen Oberflächenbereich des Körpers aufgepresst. Zwischen den Quadrantenelektroden und der einzelnen großen Elektrode werden Spannungsdifferenzen angelegt, um elliptische Vibrationen in der Platte und in dem Kontaktbereich zu erzeugen. Von dem Kontaktbereich der Platte wird Bewegung auf den Körper in Richtungen übertragen, die zu den kurzen Kanten parallel sind. Um den Körper in eine Richtung entlang der kurzen Kante zu bewegen, wird typischerweise die gleiche Spannung an jede Quadrantenelektrode eines ersten Paares diagonal angeordneter Quadrantenelektroden angelegt. Quadrantenelektroden in dem zweiten Paar „Diagonal"-Elektroden werden freigeschaltet oder auf Masse gelegt. Um die Bewegungsrichtung umzukehren, wird Spannung an das zweite Paar der Quadrantenelektroden angelegt, und das erste Paar wird freigeschaltet oder auf Masse gelegt.
Typische Betriebsspannungen für die Quadrantenelektroden reichen von 30-500 Volt und hängen von der Geometrie der piezoelektrischen Platte, der Masse des Körpers und einer gewünschten Geschwindigkeit ab, mit der der Körper bewegt werden soll. Geschwindigkeiten zwischen 15 und 350 mm/s für bewegliche Körper sind in dem Patent für einen Mikromotor beschrieben, der eine Größe von 30 mm × 7,5 mm × 2-5 mm Dicke aufweist. Für Mikromotoren mit diesem Aufbau und diesen Abmaßen sind höhere Geschwindigkeiten möglich.
In vielen Fällen ist es für einen piezoelektrischen Motor, der relativ große Leistungsbeträge zum Antreiben eines beweglichen Körpers bereitstellen kann, erforderlich, als eine Komponente in einer batteriebetriebenen Vorrichtung zu arbeiten. Diese Vorrichtungen sind üblicherweise Niederspannungsvorrichtungen, wobei es vorteilhaft wäre, piezoelektrische Mikromotoren vorzusehen, die bei geringeren Betriebsspannungen die Leistung und die Bewegungsgeschwindigkeiten vorsehen können, die von dem piezoelektrischen Mikromotoren bereitgestellt werden, welche in der oben zitierten US-Patentschrift beschrieben ist.
Piezoelektrische Niederspannungs-Mikromotoren werden im Allgemeinen aus einem Stapel aus Schichten piezoelektrischen Materials ausgebildet. Viele dieser Typen von „Vielschicht"-Mikromotoren können die Leistung und die Geschwindigkeiten des beschriebenen piezoelektrischen Mikromotors nicht erbringen. Ferner entwickeln sich während des Betriebs häufig Scherkräfte in dem Vielschicht-Mikromotor, welche die Verbindungen belasten, welche die Schichten des Mikromotors zusammenhalten. Dieser Effekt tritt insbesondere auf, wenn der Vielschicht-Mikromotor einen beweglichen Körper, mit dem dieser verbunden ist, beschleunigt oder abbremst. Diese Scherkräfte neigen dazu, die Verbindungen zu beschädigen und führen zu einem beschleunigten Verschleiß der Struktur des Mikromotors.
Ein piezoelektrischer Niederspannungs-Vielschicht-Mikromotor, der bei Ansteuerspannungen zwischen 3-10 Volt arbeitet, ist in dem Artikel „Multilayer Piezoelectric Motor Using the First Longitudinal and the Second Bending Vibrations" von H. Saigoh in dem Japanese Journal for Applied Physics, Band 34 (1995), Pt 1, Nr. 5B, auf den Seiten 2760-2764 beschrieben. Der Vielschicht-Mikromotor ist als ein langes Parallelepiped geformt, das aus einem Stapel von 40 dünnen rechteckigen Schichten piezoelektrischen Materials ausgebildet ist. Spannungsdifferenzen, die an die Elektroden angelegt werden, welche zwischen den Schichten angeordnet sind, regen elliptische Vibrationsmoden in dem Mikromotor an. Um Energie von den Vibrationen zur Bewegung eines Körpers zu übertragen, wird der Mikromotor an den Körper gedrückt, so dass zwei Kontaktbereiche auf einer der zwei äußeren Schichten in dem Stapel an den Körper gedrückt werden. Die Bewegung wird in eine der zwei Richtungen parallel zu den Längsabmessungen des Mikromotors übertragen. Es wird berichtet, dass der Mikromotor ein Schiebeelement mit 49 Gramm bei Geschwindigkeiten von bis zu 200 mm/s bewegt.
In dem Patent US 5,345,137 von Funakubo et al. werden piezoelektrische Vielschicht-Mikromotoren beschrieben, die einen hohen Stapel dünner piezoelektrischer Platten umfassen. Die Höhe des Stapels ist deutlich größer als seine Abmessungen senkrecht zu der Höhe. Ein Kontaktbereich zum Ankoppeln des Mikromotors an einen beweglichen Körper ist auf einer Stirnseiten-Oberfläche einer oberen Platte des Stapels angeordnet. Die Bewegung wird an ein bewegliches Element in Richtungen senkrecht zu der Höhe übertragen. Dieser Typ Vielschicht-Mikromotor kann zwar relativ große Leistungsbeträge bei hohen Geschwindigkeiten vorsehen, jedoch werden Verbindungen, die die Platten in dem Stapel verbinden, mit wesentlichen Scherkräften belastet.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 536 832 beschreibt einen piezoelektrischen bimorphen Motor und einen piezoelektrischen Rotationsmotor, der zwei Platten piezoelektrischen Materials umfasst, die betrieben werden, um longitudinale Vibrationen mit Biegungsvibrationen zu kombinieren, die senkrecht zu den Ebenen des Motors sind, um Bewegung an ein bewegliches Element weiterzugeben.
Da ein piezoelektrischer Mikromotor im Allgemeinen mit schnellen Antwortzeiten arbeiten muss und Bewegungen eines Körpers, den er bewegt, genau steuern muss, ist er derart angeordnet, dass ein Kontaktbereich des Mikromotors immer gegen den Körper drückt. Daher wird dieser „unter Last" gestartet, d.h. während dieser mit dem Körper verbunden ist, den er bewegt. Um daher den Mikromotor zu starten und eine Bewegung in dem Körper auszulösen, muss im Allgemeinen eine hohe „Überschwing-Startspannung" an den Mikromotor angelegt werden. Nachdem die Bewegung begonnen hat, muss die angelegte Spannung schnell auf eine deutlich kleinere Spannung verringert werden, um eine für den Körper gewünschte Geschwindigkeit beizubehalten. Nachdem der Mikromotor eingeschaltet wurde, startet daher der Körper oft die Bewegung mit einem unkontrollierbaren Ruck. Ferner ist ein Zittern von wenigen Millisekunden an dem Zeitpunkt üblich, an dem der Körper beginnt sich zu bewegen.
Ferner besteht manchmal ein Problem, wenn ein Piezomotor einen Körper von einem ersten Ort wegbewegen muss und diesen an einem zweiten Ort genau positionieren muss. Es ist im Allgemeinen schwierig, das Abbremsen des Körpers bei der Annäherung an den zweiten Ort mit genügend Genauigkeit zu steuern, um den Körper direkt an den zweiten Ort zu bringen, so dass dieser genau an dem zweiten Ort positioniert ist. Oft tritt ein Überschwingen oder Unterschwingen hinsichtlich des zweiten Ortes ein. Um den Körper genau zu positionieren, wird der Mikromotor üblicherweise dafür eingesetzt, den Körper um den zweiten Ort herum hin und her zu manövrieren, bis der Körper an dem zweiten Ort mit einem befriedigenden Maß an Genauigkeit positioniert ist. Das Manövrieren tritt während einer Zeitdauer auf, die als „Einstellzeit" bekannt ist, die oft in einer Dauer von einigen Millisekunden bis zu einigen zehn Millisekunden auftritt.
Es ist daher wünschenswert, einen piezoelektrischen Hochleistungs-Niederspannungs-Mikromotor vorzusehen, der eine verbesserte Steuerung der Bewegung aufweist, die er auf einen Körper überträgt, den er während der Startphase und während des Positionierens des Körpers bewegt.
Abriss der Erfindung
Ein Aspekt einiger der bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung betrifft das Vorsehen eines verbesserten piezoelektrischen Hochleistungs-Mikromotors, der bei geringer Spannung arbeitet.
Ein Aspekt einiger bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung betrifft das Vorsehen eines piezoelektrischen Vielschicht-Mikromotors, in dem die Scherkräfte, welche in dem Vielschicht-Mikromotor Klebeverbindungen zwischen Schichten belasten, deutlich reduziert sind.
Ein Aspekt einiger bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung betrifft das Vorsehen eines piezoelektrischen Vielschichtmotors, in dem zumindest eine der Schichten aus einem nicht-piezoelektrischen Material ausgebildet ist.
Aspekte einiger bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung betreffen das Vorsehen eines piezoelektrischen Mikromotors, der eine verbesserte Steuerung der Rate aufweist, mit der dieser während der Startphase und während des Positionierens des Körpers Energie auf einen beweglichen Körper überträgt.
Gemäß Aspekten einiger bevorzugter Ausführungen der Erfindung wird ein piezoelektrischer Mikromotor vorgesehen, der einen Körper entlang einer von zwei orthogonalen Richtungen bewegen kann.
Ein Aspekt einiger bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung betrifft das Vorsehen eines Verfahrens zum Betreiben eines piezoelektrischen Mikromotors, wodurch eine verbesserte Steuerung der Rate möglich ist, mit der die Energie von dem piezoelektrischen Mikromotor während der Startphase und bei der Überführung in die Ruheposition auf einen beweglichen Körper übertragen wird.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst ein piezoelektrischer Mikromotor einen rechteckigen Vibrator mit der Form eines rechteckigen Parallelepipeds. Der Vibrator ist aus einer Vielzahl von dünnen rechteckigen Schichten aus piezoelektrischem Material ausgebildet und weist kurze und lange Oberflächen mit relativ kurzer Kante sowie große Stirnseiten-Oberflächen auf. Die Schichten sind zueinander ausgerichtet, aufeinander senkrecht zu ihren Stirnseiten-Oberflächen gestapelt und unter Verwendung von bekannten Verfahren miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die angrenzenden Schichten im Vibrator in zueinander entgegengesetzten Richtungen polarisiert. Vorzugsweise sind die Elektroden auf jeder Stirnseiten-Oberfläche aller Schichten in dem Vibrator angeordnet. Auf einer Kantenoberfläche des Vibrators, die vorzugsweise aus den kurzen Kantenflächen der Schichten ausgebildet ist, ist ein Kontaktbereich zum Ankoppeln des Mikromotors an einem beweglichen Körper angeordnet. Diese Kantenoberfläche des Vibrators ist natürlich senkrecht zu der Längsabmessung der Schichten. Vorzugsweise ist der Kontaktbereich eine verschleißfeste „Reibungsnoppe", die mit der Oberfläche verbunden ist. Die Stelle des Kontaktbereichs, die gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung auf einer Kantenoberfläche des Vibrators vorgesehen ist, unterscheidet sich von der Stelle der Kontaktbereiche von Vielschichtmotoren gemäß dem Stand der Technik. Kontaktbereiche in piezoelektrischen Vielschicht-Mikromotoren gemäß dem Stand der Technik sind auf einer langen Stirnseiten-Oberfläche einer oberen oder unteren Schicht in dem Schichtstapel angeordnet, der zum Ausbilden des Vibrators des Mikromotors verwendet wird.
Um in dem Vibrator resonante Vibrationen zu erzeugen, werden an die Elektroden auf den Stirnflächen-Oberflächen der Schichten in dem Vibrator Wechselspannungen angelegt. Durch die Vielschichtstruktur des Vibrators sind die Spannungsbeträge, die zum Anregen resonanter Vibrationen in dem Vibrator erforderlich sind, kleiner als diejenigen, die erforderlich wären, wenn der Vibrator aus einem einzelnen Stück piezoelektrischen Materials hergestellt wäre. Da der Kontaktbereich auf einer Kante des Vibrators senkrecht zu den Längskanten der Schichten angeordnet ist, kann der Mikromotor relativ große Leistungsbeträge zum Antreiben eines beweglichen Körpers bei relativ hohen Geschwindigkeiten liefern. Ferner belasten aufgrund der Stelle des Kontaktbereichs, die Scherkräfte, die auf den Vibrator wirken, wenn der Mikromotor einen Körper beschleunigt oder abbremst, die zwischen den piezoelektrischen Schichten in dem Vibrator liegenden Verbindungen nicht. Ein Vielschicht-Mikromotor gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung unterliegt daher einer geringeren Schädigung durch Scherkräfte als Vielschicht-Mikromotoren gemäß dem Stand der Technik.
In einigen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden auf den Schichten des Vibrators eingerichtet, so dass in dem Vibrator gleichzeitig longitudinale und transversale Resonanz-Vibrationsmoden angeregt werden, wenn die Elektroden in einer bestimmten Spannungskonfiguration mit elektrischer Energie versorgt werden. Longitudinale Vibrationen sind parallel zu den Längsabmessungen der Schichten und transversale Vibrationen sind parallel zu den kurzen Abmessungen der Schichten. Die longitudinalen und transversalen Vibrationen erzeugen in der Reibungsnoppe elliptische Vibrationen, die verwendet werden, um Bewegung auf einen beweglichen Körper zu übertragen.
In einigen bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind Elektroden auf den Vibratorschichten derart eingerichtet, dass im Wesentlichen nur longitudinale Vibrationen in den Schichten und somit in dem gesamten Vibrator angeregt werden, wenn die Elektroden auf einigen Schichten in einer speziellen Spannungskonfiguration mit elektrischer Energie versorgt werden. Wenn auf anderen Schichten befindliche Elektroden in einer bestimmten Spannungskonfiguration mit elektrischer Energie versorgt werden, werden in den Schichten und somit in dem gesamten Vibrator nur transversale Vibrationen angeregt. Daher sind in dem Vibrator die longitudinalen und transversalen Resonanzvibrationen voneinander entkoppelt und können simultan sowie getrennt voneinander gesteuert werden.
Die unabhängige Steuerung der longitudinalen und transversalen Vibrationen in der Platte sieht gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung eine verbesserte Steuerung der Bewegung der Reibungsnoppe und der Rate vor, mit der die Energie auf einen Körper übertragen wird, den der piezoelektrische Mikromotor bewegt. Die verbesserte Steuerung kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn der Mikromotor die Bewegung in dem Körper einleitet und wenn dieser den Körper positioniert.
Beispielsweise bei der „Startphase", wenn der Mikromotor zunächst angeschaltet wird, um den Körper zu beschleunigen, wird vorzugsweise die longitudinale Mode zuerst angeregt, woraufhin die transversale Mode angeregt wird, vorzugsweise mit einer graduell ansteigenden Amplitude. Die longitudinale Vibrationsmode verbindet und trennt den Mikromotor mit bzw. von dem Körper. Die transversale Vibrationsmode ist die Mode, die Energie an den Körper überträgt und diesen während Perioden beschleunigt, wenn durch die longitudinale Mode der Mikromotor mit dem Körper verbunden ist. Solange die transversale Mode angeregt ist, besteht für den Mikromotor keine Last hinsichtlich des Bewegens des Körpers. Durch Anregen der transversalen Mode nach der Anregung der longitudinalen Mode durch graduelles Erhöhen der Amplitude der transversalen Mode wird gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung die Last graduell mit dem Motor verknüpft. Die Startphase ist relativ ruhig und der Zeitpunkt, bei dem der Körper beginnt, sich zu bewegen, ist relativ genau steuerbar.
In ähnlicher Weise kann die Bewegungsgeschwindigkeit, mit der der Mikromotor den Körper an eine Stelle bewegt, genau und graduell bei der Annäherung des Körpers an die Stelle reduziert werden, indem die Amplitude der transversale Vibrationen verringert wird, während die Amplitude der longitudinale Vibrationen im Wesentlichen konstant gehalten wird.
In einigen bevorzugten Ausführungen der Erfindung werden eine Elektrodenkonfiguration auf den Schichten sowie Eigenschaften des Vibrators derart vorgesehen, dass longitudinale, transversale und Biegungs-Vibrationen in dem Vibrator unabhängig voneinander angeregt und gesteuert werden können. Biegungs-Vibrationen sind senkrecht zu den Stirnseiten-Oberflächen der Schichten in dem Vibrator. Vorzugsweise ist der Vibrator relativ dünn, d.h. die Abmessung des Vibrators senkrecht zu den Ebenen der Schichten in dem Vibrator ist relativ klein im Vergleich zur Länge und Breite der Schichten. Ein solcher Mikromotor kann Bewegung entlang der Richtungen parallel zu den kurzen Kanten der Schichten und senkrecht zu den Stirnseiten-Oberflächen der Schichten vorsehen. Da die longitudinalen, transversalen und Biegungs-Vibrationen voneinander entkoppelt sind, kann der Mikromotor gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Bewegungssteuerung eines mit diesem verbundenen Körpers in alle Richtungen vorsehen, in die der Mikromotor den Körper bewegt.
In einigen bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind Elektroden derart eingerichtet, dass eine Stirnseiten-Oberfläche jeder Schicht in dem Vibrator Kontakt mit vier Quadrantenelektroden aufweist, die in einem Schachbrett-Muster angeordnet sind. Vorzugsweise überdeckt jede Quadrantenelektrode im Wesentlichen die gesamte Fläche des Quadranten, mit dem diese in Kontakt ist. Vorzugsweise ist die andere Stirnseiten-Oberfläche jeder Schicht in Verbindung mit einer einzelnen großen Elektrode, die den Großteil des Flächeninhalts der Stirnseiten-Oberfläche überdeckt. Mit dieser Elektrodenkonfiguration können die Elektroden in Spannungskonfigurationen mit elektrischer Energie versorgt werden, um die longitudinale, transversale und Biegungs-Vibrationen in dem Vibrator unabhängig voneinander anzuregen und zu steuern.
Es wurden Verfahren zum Vorsehen genauer Steuerung des Energieübertrags an einen beweglichen Körper, ausgehend von einem piezoelektrischen Motor durch Steuern der longitudinalen, transversalen und/oder Biegungs-Vibrationen unabhängig voneinander gemäß bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf Vielschichtmotoren beschrieben. Jedoch sind diese Verfahren für jeden piezoelektrischen Mikromotor anwendbar und für dessen Betrieb vorteilhaft, der die Steuerung von longitudinalen Vibrationen unabhängig von den transversalen und/oder Biegungs-Vibrationen ermöglicht.
Daher wird gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ein piezoelektrischer Mikromotor zum Bewegen eines beweglichen Elements vorgesehen, umfassend:
Einen Vibrator in Gestalt eines rechteckigen Parallelepipeds, gebildet aus einer Mehrzahl von dünnen Schichten von piezoelektrischem Material, welche eine erste und eine identische zweite, vergleichsweise große rechteckige Stirnseiten-Oberfläche aufweisen, definiert durch lange und kurze Kantenflächen, wobei die Schichten übereinander ausgerichtet sind, und wobei deren Stirnseiten-Oberflächen miteinander verbunden sind;
Elektroden auf Oberflächen der Schichten;
einen Kontaktbereich, angeordnet auf einer oder mehreren Kantenoberflächen der Schichten, der gegen den Körper gedrückt ist, und
zumindest eine elektrische Leistungsversorgung, die die Elektroden mit elektrischer Energie versorgt, um Vibrationen im Vibrator und somit in dem Kontaktbereich anzuregen, die eine Bewegung an den Körper weitergeben.
Vorzugsweise sind eine oder mehrere Kantenoberflächen kurze Kantenoberflächen der Schichten.
Vorzugsweise umfasst der Mikromotor ein verschleißbeständiges bzw. verschleißfestes Element, das an dem Kontaktbereich zum Kontakt mit dem Körper angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der Mikromotor Elektroden auf Stirnseiten-Oberflächen der Schichten, die von der Leistungsversorgung mittels einer Wechselspannung mit elektrischer Energie versorgt werden können, um in dem Vibrator elliptische Vibrationen anzuregen, welche eine steuerbare Exzentrizität haben.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der Mikromotor:
Eine einzelne große Elektrode auf einer ersten Stirnseiten-Oberfläche jeder Schicht; und
vier Quadrantenelektroden auf einer zweiten Stirnseiten-Oberfläche jeder Schicht, wobei die Quadrantenelektroden in einem Schachbrett-Muster angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der Mikromotor:
Eine einzelne große Elektrode auf einer ersten Stirnseiten-Oberfläche jeder Schicht; und
eine einzelne große Elektrode auf der zweiten Stirnseiten-Oberfläche auf mindestens einer, jedoch nicht allen Schichten;
vier Quadrantenelektroden auf der zweiten Stirnflächen-Oberfläche von zumindest einer Schicht, wobei die Quadrantenelektroden in einem Schachbrett-Muster angeordnet sind.
Vorzugsweise weisen zwei nicht durchgängige Stirnflächen-Oberflächen Quadrantenelektroden auf.
Vorzugsweise versorgt mindestens eine Energieversorgung alle Quadrantenelektroden auf der zweiten Stirnseiten-Oberfläche von mindestens einer, jedoch nicht von allen Schichten, mit der gleichen Wechselspannung, um in dem Vibrator und somit in der Kontaktoberfläche longitudinale Vibrationen anzuregen, wobei longitudinale Vibrationen Vibrationen sind, die parallel zu den Kanten der Schichten sind, auf denen der Kontaktbereich angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung versorgt für mindestens eine Schicht die mindestens eine Energieversorgung ein erstes Paar diagonal versetzter Quadrantenelektroden mit einer ersten Wechselspannung und ein zweites Paar Quadrantenelektroden entlang einer zweiten Diagonale mit einer zweiten Wechselspannung, wobei die erste und die zweite Wechselspannung um 180° phasenversetzt sind und dieselbe Stärke aufweisen, um in dem piezoelektrischen Vibrator transversale Vibrationen anzuregen, wobei die transversalen Vibrationen Vibrationen sind, die parallel zu den Kanten der Schichten verlaufen, auf denen der Kontaktbereich angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Schicht eine Mehrzahl von Schichten, wobei homologe Elektroden auf verschiedenen Schichten der Mehrzahl von Schichten durch die gleiche Spannung mit elektrischer Energie versorgt werden. Vorzugsweise steuert die mindestens eine Energiequelle die Stärke der Wechselspannungen, die verwendet werden, um longitudinale und transversale Vibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen und Amplituden vibrationsbezogener Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene parallel zu den Ebenen der Schichten vorzusehen.
Vorzugsweise steuert die mindestens eine Energiequelle Phasen der Wechselspannungen, die verwendet werden, um longitudinale und transversale Vibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen von vibrationsbezogener Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene parallel zu den Ebenen der Schichten vorzusehen.
Vorzugsweise steuert die mindestens eine Energiequelle Frequenzen von Wechselspannungen, die verwendet werden, um longitudinale und transversale Vibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen von vibrationsbezogener Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene parallel zu den Ebenen der Schichten vorzusehen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung versorgt für mindestens eine Schicht die mindestens eine Energieversorgung ein erstes Paar von Elektroden mit elektrischer Energie, die entlang einer ersten kurzen Kante der Schicht verlaufen und ein zweites Paar von Quadrantenelektroden, die entlang einer zweiten kurzen Kante verlaufen, mit ersten und zweiten Wechselspannungen, die zueinander um 180° phasenversetzt sind und die gleiche Amplitude aufweisen, um in dem piezoelektrischen Vibrator Biegungsvibrationen senkrecht zu den Ebenen der Schichten anzuregen. Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Schicht eine Mehrzahl von Schichten. Vorzugsweise werden auf den Schichten homologe Elektroden auf der gleichen Seite einer Stirnenden-Oberfläche innerhalb des Vibrators in Phase mit elektrischer Energie versorgt, und homologe Elektroden auf Schichten, die auf entgegengesetzten Seiten der Stirnseiten-Oberfläche vorgesehen sind, werden um 180° phasenversetzt mit elektrischer Energie versorgt.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung steuert die mindestens eine Energiequelle Stärken von Wechselspannungen, die verwendet werden, um longitudinale und Biege-Vibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen und Amplituden von vibrationsbezogener Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene senkrecht zu den Ebenen der Schichten vorzusehen.
Vorzugsweise steuert die mindestens eine Energiequelle Phasen der Wechselspannungen, die verwendet werden, um longitudinale und Biegungsvibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen vibrationsbezogener Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene senkrecht zu den Ebenen der Schichten vorzusehen.
Vorzugsweise steuert die mindestens eine Energiequelle die Frequenzen der Wechselspannungen, die verwendet werden, um longitudinale und transversale Vibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen von vibrationsbezogener Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene parallel zu den Ebenen der Schichten vorzusehen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung versorgt für mindestens eine Schicht die mindestens eine Energieversorgung ein Paar Quadrantenelektroden, die entlang einer ersten Diagonale der Schicht liegen, mit einer Wechselspannung, während ein Paar Quadrantenelektroden entlang einer zweiten Diagonale der Schicht mit Masse verbunden oder freigeschaltet sind, um elliptische Vibrationen in dem Vibrator anzuregen. Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Schicht eine Mehrzahl von Schichten, wobei homologe Elektroden mittels der gleichen Wechselspannung mit elektrischer Energie versorgt werden. Vorzugsweise steuert die mindestens eine Energieversorgung die Frequenz der Wechselspannung, um die Exzentrizität der elliptischen Bewegung selektiv zu steuern.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der Mikromotor mindestens eine relativ dünne Schicht nicht-piezoelektrischen Materials mit einer großen rechteckigen Stirnseiten-Oberfläche, die von langen und kurzen Kanten sowie durch relativ schmale lange und kurze Kantenoberflächen begrenzt ist.
Vorzugsweise ist eine der Kanten der nicht-piezoelektrischen Schicht im Wesentlichen von gleicher Länge wie entsprechende Kanten der piezoelektrischen Schichten. Vorzugsweise ist eine Kante eine kurze Kante. Vorzugsweise sind die anderen Kanten der mindestens einen nicht-piezoelektrischen Schicht geringfügig länger als die entsprechenden anderen Kanten der piezoelektrischen Schichten, so dass mindestens eine Kantenoberfläche der nicht-piezoelektrischen Schicht von den piezoelektrischen Schichten hervorsteht. Vorzugsweise ist die andere Kante die lange Kante, wobei mindestens eine kurze Kantenoberfläche der nicht-piezoelektrischen Schicht von den piezoelektrischen Schichten hervorsteht. Vorzugsweise umfasst der Kontaktbereich einen Bereich von einer der mindestens einen hervorstehenden Kantenoberflächen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die mindestens eine nicht-piezoelektrische Schicht aus Metall ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die Energieversorgung die Elektroden mit elektrischer Energie versorgen, um Bewegung in einer frei wählbaren Richtung in der Ebene der Kantenoberflächen zu erzeugen, auf der die Kantenoberfläche angeordnet ist.
Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ein Verfahren zum Beschleunigen eines beweglichen Körpers von der Ruhestellung aus vorgesehen, umfassend:

(i) Drücken eines piezoelektrischen Mikromotors an den Körper in einer ersten Richtung, so dass ein Kontaktbereich des piezoelektrischen Motors an den Körper gepresst wird;
(ii) Anregen von Vibrationen in dem piezoelektrischen Mikromotor an dem Kontaktbereich in der ersten Richtung, während der Körper ruht und der piezoelektrische Motor nicht in der zweiten Richtung vibriert; und
(iii) danach, während der piezoelektrische Mikromotor in der ersten Richtung an dem Kontaktbereich vibriert, graduelles Erhöhen der Amplitude der Vibrationen an dem Kontaktbereich in eine zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung, beginnend von Null bis zu einer gewünschten maximalen Amplitude.

Vorzugsweise werden die Vibrationen in der ersten Richtung angeregt, indem eine erste Versorgung mit elektrischer Energie mindestens einiger erster Elektroden auf dem piezoelektrischen Motor vorgesehen wird, und die Vibrationen in der zweiten Richtung angeregt werden, indem eine Versorgung mit elektrischer Energie mindestens einiger zweiter Elektroden vorgesehen wird, von denen sich mindestens einige von der ersten Elektrodengruppe unterscheiden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der piezoelektrische Motor mindestens eine piezoelektrische Schicht, wobei die ersten und zweiten Elektroden auf der gleichen Schicht vorgesehen sind.
Alternativ umfasst der piezoelektrische Motor eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten, wobei die ersten und zweiten Elektroden auf verschiedenen Schichten vorgesehen sind.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das graduelle Erhöhen der Amplitude der Vibrationen in der zweiten Richtung das graduelle Erhöhen der Amplitude der zweiten elektrischen Energieversorgung.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden Vibrationen in der ersten Richtung angeregt, indem eine Spannung an den piezoelektrischen Motor innerhalb eines ersten Frequenzbereichs angelegt wird, und Vibrationen in der zweiten Richtung angeregt werden, indem eine Spannung an den piezoelektrischen Motor innerhalb eines zweiten Frequenzbereichs angelegt wird, der sich teilweise mit dem ersten Frequenzbereich überschneidet. Vorzugsweise umfasst das Ausführen des Schritts (ii) das Anlegen einer Spannung bei einer Frequenz, bei der nur Vibrationen in der ersten Richtung angeregt werden; und das Ausführen des Schritts (iii) umfasst das Ändern der Frequenz der Spannung auf eine Frequenz, bei der Vibrationen sowohl in der ersten als auch in der zweiten Richtung angeregt werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die ersten Vibrationen in der ersten und zweiten Richtung angeregt, indem mindestens eine erste Elektrode angeregt wird, und wobei die zweiten Vibrationen in der ersten und zweiten Richtung angeregt werden, indem mindestens eine zweite Elektrode angeregt wird, wobei die Phase der Vibrationen in der zweiten Richtung einen im Wesentlichen 180-Grad-Phasenunterschied für die ersten und zweiten Vibrationen aufweist. Vorzugsweise umfasst das Ausführen des Schritts (ii) das Anregen sowohl der mindestens einen ersten Elektrode als auch der mindestens einen zweiten Elektrode, um die Unterdrückung der Vibrationen in der zweiten Richtung zu erreichen; und das Ausführen des Schritts (iii) umfasst das graduelle Verringern der ersten und zweiten Anregungen. Vorzugsweise umfasst der piezoelektrische Motor mindestens eine piezoelektrische Schicht, wobei die ersten und zweiten Elektroden auf der gleichen Schicht vorgesehen sind. Alternativ umfasst der piezoelektrische Motor eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten, wobei sich die ersten und zweiten Elektroden auf verschiedenen Schichten befinden.
Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ein Verfahren zum Abbremsen eines beweglichen Körpers vorgesehen, der von einem piezoelektrischen Motor in einer ersten Richtung bewegt wird, so dass ein Kontaktbereich des piezoelektrischen Motors in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung an den Körper gepresst wird, wobei die Bewegung von phasenbezogenen Vibrationen an dem Kontaktbereich in der ersten und zweiten Richtung ausgelöst wird, wobei das Verfahren umfasst:
graduelles Verringern der Amplitude der Vibrationen in der zweiten Richtung, während die Vibrationen in der ersten Richtung beibehalten werden.
Vorzugsweise werden die Vibrationen in der ersten Richtung angeregt, indem eine erste Versorgung mit elektrischer Energie der mindestens einigen ersten Elektroden auf dem piezoelektrischen Motor vorgesehen wird, und die Vibrationen in der zweiten Richtung angeregt werden, indem eine Versorgung mit elektrischer Energie für die mindestens einigen zweiten Elektroden vorgesehen wird, von denen sich mindestens einige von der ersten Elektrodengruppe unterscheiden. Vorzugsweise umfasst das graduelle Verringern der Amplitude der Vibrationen in der zweiten Richtung das graduelle Verringern der Amplitude der zweiten elektrischen Energieversorgung. Vorzugsweise umfasst der piezoelektrische Motor mindestens eine piezoelektrische Schicht, wobei die ersten und zweiten Elektroden auf der gleichen Schicht vorgesehen sind. Alternativ umfasst der piezoelektrische Motor eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten, wobei sich die ersten und zweiten Elektroden auf verschiedenen Schichten befinden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden Vibrationen in der ersten Richtung angeregt, indem eine Spannung an den piezoelektrischen Motor innerhalb eines ersten Frequenzbereichs angelegt wird, und Vibrationen in der zweiten Richtung angeregt werden, indem an den piezoelektrischen Motor eine Spannung innerhalb eines zweiten Frequenzbereichs angelegt wird, der sich teilweise mit dem ersten Frequenzbereich überschneidet. Vorzugsweise umfasst das Ausführen des Schritts (i) das Ändern der Frequenz auf eine Frequenz, bei der nur Vibrationen in der ersten Richtung angeregt werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden erste Vibrationen in der ersten und zweiten Richtung angeregt, indem mindestens eine erste Elektrode angeregt wird, und wobei zweite Vibrationen in der ersten und zweiten Richtung angeregt werden, indem mindestens eine zweite Elektrode angeregt wird, wobei die Phase der Vibrationen in der zweiten Richtung einen im Wesentlichen 180-Grad-Phasenunterschied für die ersten und zweiten Vibrationen aufweist, wobei die Bewegung hervorgerufen wird, indem nur eine der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Elektroden angeregt wird. Vorzugsweise umfasst das Ausführen des Schritts (i) das Anregen beider der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode, um das Unterdrücken der Vibrationen in der zweiten Richtung vorzusehen. Vorzugsweise umfasst der piezoelektrische Motor mindestens eine piezoelektrische Schicht, wobei sich die ersten und zweiten Elektroden auf der gleichen Schicht befinden. Alternativ umfasst der piezoelektrische Motor eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten, wobei sich die ersten und zweiten Elektroden auf verschiedenen Schichten befinden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung ist besser unter Bezugnahme aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung verständlich, die in Verbindung mit den angefügten Figuren zu lesen ist. In den Figuren werden identische Strukturen, Elemente oder Teile, welche in mehr als in einer Figur auftreten, in allen Figuren, in denen sie auftreten, mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet, wobei:
Die 1A und 1B in schematischer Weise Schichten piezoelektrischen Materials zeigen, die verwendet werden, um einen piezoelektrischen Vielschicht-Mikromotor gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung aufzubauen, sowie einen Vielschicht-Mikromotor, der aus den jeweiligen Schichten aufgebaut ist;
die 2A-2D in schematischer Weise verschiedene Wege der Versorgung mit elektrischer Energie der Elektroden in dem in 1B dargestellten Mikromotor zeigen, um verschiedene Vibrationsmoden in dem Mikromotor zu erzeugen, wobei diese Figuren ferner zeigen, wie Vibrationen in dem Mikromotor gesteuert werden können, um einen beweglichen Körper gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ruhig zu beschleunigen und abzubremsen;
die 3 in schematischer Weise einen piezoelektrischen Motor gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt, der zwei piezoelektrische Schichten umfasst;
die 4A und 4B in schematischer Weise piezoelektrische Mikromotoren in Einzelschichtstruktur darstellen, die gesteuert werden können, um eine Motorfeinsteuerung vorzusehen, indem longitudinale und transversale Vibrationen in den Mikromotoren unabhängig voneinander gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung gesteuert werden;
die 5 in schematischer Weise einen weiteren Mikromotor in Einzelschichtstruktur darstellt, der unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung gesteuert werden kann, um eine Feinbewegungssteuerung vorzusehen; und
die 6 in schematischer Weise einen piezoelektrischen Mikromotor gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt, der zwei piezoelektrische Schichten und eine Schicht nicht-piezoelektrischen Materials umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGEN
Die 1A zeigt vier dünne piezoelektrische Schichten 20, 22, 24 und 26 in schematischer Weise, die verwendet werden, um einen Vielschicht-Mikromotor gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung aufzubauen. Die Abmessungen der Schichten 20, 22, 24 und 26 in der 1A sowie die in der 1A und in den folgenden Figuren dargestellten Elemente und Merkmale sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und sind zum Zwecke der Darstellung ausgewählt. Ferner ist die Auswahl der vier Schichten in der 1A beispielhaft und soll keine Beschränkung der bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung darstellen, deren Schichtanzahl sich von vier unterscheiden kann.
Jede der Schichten 20, 22, 24 und 26 hat relativ große parallele rechteckige obere und untere Oberflächen 28 und 30, zwei schmale lange Kantenoberflächen 32 und zwei kurze Kantenoberflächen 34. Die untere Oberfläche 30, eine kurze Kantenoberfläche 32 und eine lange Kantenoberfläche 34 jeder der Schichten 20, 22, 24 und 26 sind in der in 1 dargestellten Perspektive verdeckt. Verdeckte Kanten und untere Oberflächen 30 sowie Elektroden auf der unteren Oberfläche 30 sind für die Schicht 26 in Schattenlinien dargestellt. Vorzugsweise haben alle Schichten 20, 22, 24 und 26 die gleichen Abmessungen und sind aus dem gleichen piezoelektrischen Material ausgebildet. Vorzugsweise ist das piezoelektrische Material in jeder der Schichten 20, 22, 24 und 26 senkrecht zu der oberen Stirnseiten-Oberfläche 28 der Schicht polarisiert. Vorzugsweise sind die Polarisationsrichtungen von allen paarigen benachbarten Schichten zueinander entgegengesetzt. Die Polarisationsrichtung jeder der in 1A dargestellten Schichten ist durch die Richtung eines Pfeils 36 mit Doppellinie nahe der am weitesten links liegenden Ecke der Schicht dargestellt.
Die Schicht 20 weist vorzugsweise vier Quadrantenelektroden 41, 42, 43 und 44 auf seiner oberen Oberfläche 28 auf, die unter Verwendung bekannter Verfahren ausgebildet wurden. In gleicher Weise hat die Schicht 24 vorzugsweise vier Quadrantenelektroden 51, 52, 53 und 54 auf ihrer oberen Oberfläche 28. Vorzugsweise hat die Schicht 26 vier Quadrantenelektroden 61, 62, 63 und 64, die in Schattenlinien dargestellt sind, und auf ihrer unteren Oberfläche 30 angeordnet sind. Vorzugsweise hat jede der Quadrantenelektroden ein Kontaktanschlussfeld 70, um einen elektrischen Kontakt mit der Elektrode vorzusehen. Das Kontaktanschlussfeld 70 jeder Elektrode erstreckt sich ausgehend von dem Körper der Elektrode und erstreckt sich vorzugsweise, um einen Bereich auf einer langen Kantenoberfläche 32 der Schicht zu überdecken, auf der die Elektrode angeordnet ist.
Vorzugsweise hat die Schicht 22 eine einzelne große Elektrode 66, die auf ihrer oberen Oberfläche 28 ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die Schicht 26 eine einzelne große Elektrode 68 auf, die auf ihrer oberen Oberfläche 28 ausgebildet ist. Jede große Elektrode 66 und 68 hat vorzugsweise ein Kontaktanschlussfeld 70, welches einen Bereich einer langen Kantenoberfläche 32 der Schicht überdeckt, auf der diese angeordnet ist.
Die Schichten 20, 22, 24 und 26 sind unter Verwendung bekannter Prozesse übereinander ausgerichtet und in der Reihenfolge miteinander verbunden vorgesehen, wie es in 1A dargestellt ist, um einen piezoelektrischen Vielschicht-Mikromotor 80 gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung auszubilden, der in 1B dargestellt ist.
Die Abmessungen der Schichten 20, 22, 24 und 26 sind vorzugsweise derart vorgesehen, dass der piezoelektrische Mikromotor 80 in der Gestalt einer relativ dünnen rechteckigen Platte ausgeformt ist. Der Mikromotor 80 hat relativ große obere bzw. untere Stirnseiten-Oberflächen 82 und 84, lange Kantenoberflächen 86 und kurze Kantenoberflächen 88 und 89. In der 1B und in den folgenden 2A, 2B und 2D sind die Richtungen bezugnehmend auf ein Koordinatensystem 100 definiert, in dem die x- und y-Achse jeweils parallel zu den kurzen bzw. langen Kantenoberflächen 88 und 86 ist, und die z-Achse senkrecht zu der oberen Stirnseiten-Oberfläche 82 ist.
Vorzugsweise sind die Abmessungen des Mikromotors 80 und der piezoelektrischen Materialen, aus denen die Schichten 20, 22, 24 und 26 ausgebildet sind, derart ausgewählt, dass mindestens eine longitudinale Resonanzvibrationsmode und eine transversale Resonanzvibrationsmode geringer Ordnung des Mikromotors 80 zumindest teilweise überschneidende Anregungskurven haben. Vorzugsweise hat der Mikromotor 80 ebenfalls mindestens eine Resonanzbiegungs-Vibrationsmode geringer Ordnung, die eine Anregungskurve aufweist, die sich mit einer Anregungskurve einer longitudinalen Resonanzvibrationsmode geringer Ordnung überschneidet. Die longitudinalen und transversalen Vibrationsmoden sind senkrecht zu kurzen Kantenoberflächen 84 bzw. langen Kantenoberflächen 86 (d.h., dass diese parallel zu der y- bzw. x-Achse sind). Biegungsvibrationsmoden sind senkrecht zu den Stirnseiten-Oberflächen 82 und 84 (d.h. parallel zu der z-Achse).
Vorzugsweise ist eine verschleißfeste Reibungsnoppe 90 mit der kurzen Kantenoberfläche 88 unter Verwendung bekannter Verfahren verbunden, um den Mikromotor 80 an einen Körper, den dieser bewegt, anzukoppeln. Transversale und longitudinale Vibrationen in dem Mikromotor 80 veranlassen die Reibungsnoppe 90 dazu, sich parallel zu der x-Achse bzw. y-Achse zu bewegen. Biegungsvibrationen veranlassen die Reibungsnoppe 90 dazu, sich parallel zu der z-Achse zu bewegen.
Die 2A-2C zeigen in schematischer Weise verschiedene Verfahren gemäß bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung zum Anregen von Vibrationen in dem in 1B dargestellten Mikromotor 80.
Kontaktanschlussflächen 70, die in der 1A dargestellt sind, sind aus Klarheitsgründen in der 2A-2C mit Bezugszeichen der Quadrantenelektroden bezeichnet, denen diese angehören. Elektrische Verbindungen zwischen den verschiedenen Elektroden auf den Schichten 20, 22, 24 und 26, die in der 1A dargestellt sind, sind in den 2A-2C durch Verbindungen zwischen deren jeweiligen Kontaktanschlussflächen dargestellt, sowie durch Verbindungen zwischen Quadrantenelektroden auf der oberen Oberfläche 82. In den 2A-2C ist nur eine der langen Kantenoberflächen 86 dargestellt. Elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktfeldern der Elektroden auf der langen Kantenoberfläche 86, die nicht dargestellt ist, sind identisch mit elektrischen Verbindungen zwischen Kontaktanschlussfeldern der Elektroden auf der langen Kantenoberfläche 86, die dargestellt ist.
In der 2A ist der Mikromotor 80 gekoppelt mit einem beweglichen Körper 102 dargestellt. Eine Federkraft, die mit Pfeil 104 dargestellt ist, übt Druck auf die kurze Kantenoberfläche 89 aus und drückt den Mikromotor 80 zu dem Körper 102 hin, so dass die Reibungsnoppe 90 den Körper 102 kontaktiert. Alle Quadrantenelektroden entlang der gleichen Ecke des Mikromotors 80 und entlang diagonal entgegengesetzter Ecken des Mikromotors 80 sind elektrisch miteinander verbunden. In der 2A sind die Verbindungen zwischen den Quadrantenelektroden 41, 51 und 61 und zwischen 42, 52 und 62 dargestellt. Die Verbindungen zwischen den Quadrantenelektroden 43 und Elektroden 53 und 63 (in der 1A dargestellt) unterhalb der Quadrantenelektrode 43 und Verbindungen zwischen der Quadrantenelektrode 44 und den Quadrantenelektroden 54 und 64 (in der 1A dargestellt) unterhalb der Quadrantenelektrode 44 sind nicht dargestellt. Verbindungen zwischen Quadrantenelektroden, die entlang diagonal entgegengesetzter Ecken des Mikromotors 80 angeordnet sind, sind durch diagonale Verbindungen zwischen Quadrantenelektroden 41 und 43 sowie zwischen Quadrantenelektroden 42 und 44 dargestellt. Diagonal angeordnete Quadrantenelektroden, die mit den Elektroden 41 und 43 verbunden sind, werden kollektiv als „Diagonalelektroden 41-43" bezeichnet. Auf gleiche Weise werden die Quadrantenelektroden, welche mit Quadrantenelektroden 42 und 44 verbunden sind, als „Diagonalelektrode 42-44" bezeichnet. Große Elektroden 66 und 68 auf den Schichten 24 und 28 sind verbunden und vorzugsweise an Masse gelegt. Große Elektroden 66 und 68 werden kollektiv als „Masseelektrode 66-68" bezeichnet.
Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Diagonalelektrode 41-43 und dem Freischalten oder auf Masse Legen der Diagonalelektrode 42-44 werden gleichzeitig longitudinale und transversale Resonanzvibrationen in dem Mikromotor 80 angeregt. In der 2A ist die Diagonalelektrode 42 und 44 als auf Masse gelegt dargestellt und die Diagonalelektrode 41-43 ist mit einer Wechselspannungsquelle V verbunden. Die Vibrationen veranlassen die Reibungsnoppe 90 dazu, eine elliptische Bewegung in der x-y-Ebene entgegen dem Uhrzeigersinn auszuführen, wodurch der Körper 102 in die positive x-Richtung bewegt wird. Eine Ellipse 106 gibt schematisch die Bewegung der Reibungsnoppe 90 wieder, und die Richtung im Uhrzeigersinn um die Ellipse 106 herum ist durch die Richtung des Pfeils 108 angegeben. Durch Anlegen der Spannung an die Diagonalelektrode 42-44 und Freischalten bzw. auf Masse Legen der Diagonalelektrode 41-43 „läuft" die Reibungsnoppe 90 entlang einer Ellipse 106 in einer Richtung im Uhrzeigersinn (die Richtung, welche von Pfeil 108 angezeigt wird) und der Körper 102 bewegt sich in negativer x-Richtung.
Das Verfahren zum Betreiben des in 2A dargestellten Mikromotors 80 erlaubt es dem Mikromotor 80, relativ große Mengen an Energie zum Bewegen des Körpers 102 bereitzustellen, und den Körper 102 mit relativ hohen Geschwindigkeiten zu bewegen. Ferner sind die zum Betreiben des Mikromotors 80 erforderlichen Spannungen deutlich kleiner als die, die erforderlich wären, wenn der Mikromotor 80 aus einem einzelnen Stück piezoelektrischen Materials hergestellt wäre. Jedoch ermöglicht das Verfahren zum Betreiben des Mikromotors 80 nicht, dass longitudinale und transversale Resonanz-Vibrationen in dem Mikromotor 80 angeregt werden und unabhängig voneinander gesteuert werden. Wenn die Wechselspannung an die Diagonalelektroden 41-43 und 42-44 wie beschrieben angelegt werden, werden in dem Mikromotor 80 sowohl die longitudinalen als auch die transversalen Vibrationsmoden gleichzeitig angeregt. Für eine vorgegebene Frequenz der angelegten Wechselspannung ist das Verhältnis der Amplituden der longitudinalen und der transversalen Vibrationsmoden im Wesentlichen konstant. Das Erhöhen oder Verringern der Stärke der angelegten Spannung erhöht bzw. verringert die Amplituden sowohl der longitudinalen als auch der transversalen Vibrationen.
Da der Mikromotor 80 den Körper 102 entlang der x-Achse beschleunigt und abbremst und die Schichten 20-26 parallel zu der x-y-Ebene sind, ist ersichtlich, dass keine Scherkräfte auftreten, die Verbindungen zwischen Schichten in dem Mikromotor 80 belasten. In dieser Hinsicht unterscheiden sich die Vielschicht-Mikromotoren gemäß dem Stand der Technik, in denen von den Mikromotoren bewegte Körper mit Oberflächen gekoppelt sind, die parallel zu den Schichten in den Mikromotoren sind. In diesen Vielschicht-Mikromotoren gemäß dem Stand der Technik belasten alle Scherkräfte, die sich aus der Trägheit der Körper ergeben, die diese bewegen, die zwischen den Schichten in den Vielschicht-Mikromotoren bestehenden Verbindungen. Ein Vielschicht-Mikromotor gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist daher gegenüber Schäden durch Scherkräfte weniger anfällig als Mikromotoren nach dem Stand der Technik.
Die 2B zeigt auf schematische Weise ein Verfahren zum Betreiben des Mikromotors 80, in dem die longitudinalen und transversalen Vibrationsmoden unabhängig voneinander steuerbar sind.
In der 2B sind alle Quadrantenelektroden 51, 52, 53 und 54, die zwischen den Schichten 22 und 24 angeordnet sind, vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden (die Quadrantenelektroden 53 und 54 sind in der 2B nicht dargestellt). Dadurch ergibt sich tatsächlich eine einzelne große Elektrode zwischen den Schichten 22 und 24, die im Folgenden als „Elektrode 51-54" bezeichnet wird. Die Elektrode 51-54 wird von einer Wechselstrom-Leistungsquelle V1 angesteuert. Wenn V1 eine Wechselspannung an die Elektrode 51-54 anlegt, werden in den Schichten 22 und 24 elektrische Felder erzeugt, die im Wesentlichen in diesen Schichten und somit in dem Mikromotor 80 nur longitudinale Vibrationen (d.h. Vibrationen in der y-Richtung) anregen. Die Stärke der Spannung von V1 steuert die Amplitude der longitudinalen Vibrationen.
Die Quadrantenelektroden 41, 43, 61 und 63 (die Quadrantenelektrode 63 ist nicht dargestellt) sind vorzugsweise zusammen verbunden und werden zusammen als „Diagonalelektrode 41-63" bezeichnet. Es ist zu bemerken, dass sich die Diagonalelektrode 41-63 in der 2B von der Diagonalelektrode 41-63 unterscheidet, die für 2A definiert wurde. In der 2A umfasst die Diagonalelektrode 41-43 Quadrantenelektroden 51 und 53, die nicht von der Diagonalelektrode 41-63 umfasst werden, wie sie für 2B definiert ist. Auf gleiche Weise sind die Quadrantenelektroden 42, 44, 62 und 64 (nicht dargestellt) vorzugsweise miteinander verbunden und werden zusammen als „Diagonalelektrode 42-64" bezeichnet. Die Diagonalelektrode 41-63 und die Diagonalelektrode 42-64 sind vorzugsweise an eine symmetrische Wechselstrom-Leistungsquelle V2 angeschlossen, so dass diese um 180° phasenversetzt angesteuert werden, wobei dies mit „+", „–" und dem Massezeichen auf der Leistungsquelle V2 gekennzeichnet ist. Wenn V2 Spannung an die Diagonalelektroden 41-43 und 42-44 anlegt, werden in den Schichten 20 und 26 elektrische Felder erzeugt. Diese Felder regen im Wesentlichen nur transversale (d.h. in y-Richtung) Vibrationen in den Schichten 20 und 26 und somit in dem Mikromotor 80 an. Die Amplituden der transversalen Vibrationen werden durch die Stärke der Spannung V2 gesteuert.
Durch Anregen und Steuern der longitudinalen und transversalen Vibrationen in gegenseitiger Unabhängigkeit, kann die Reibungsnoppe 90 gesteuert werden, um viele verschiedene Bewegungsformen auszuführen, wobei diese Bewegungen fein gesteuert werden können.
Wenn beispielsweise nur longitudinale Vibrationen in dem Mikromotor 80 angeregt werden, führt die Reibungsnoppe 90 eine im Wesentlichen lineare Vibrationsbewegung entlang der y-Achse durch, wobei die Bewegung durch den Pfeil mit Doppellinie 120 wiedergegeben ist. Wenn nur transversale Vibrationen angeregt werden, führt die Reibungsnoppe 90 im Wesentlichen eine lineare Vibrationsbewegung parallel zu der x-Achse durch, wobei diese Bewegung durch den Pfeil mit Doppellinie 122 wiedergegeben ist. Es können elliptische Bewegungen mit unterschiedlichen Exzentrizitäten und Orientierungen in der Reibungsnoppe 90 erzeugt werden, indem das Verhältnis der Amplituden der longitudinalen und transversalen Vibrationen sowie die Phasenunterschiede zwischen diesen gesteuert werden. Beispielsweise ist bei einer elliptischen Bewegung, die von Ellipse 124 wiedergegeben wird, die Amplitude der Vibration entlang der x-Achse größer als entlang der y-Achse. Bei der Ellipse 126 ist die Situation umgekehrt und die Amplitude der Bewegung entlang der y-Achse ist deutlich größer als die Amplitude der Bewegung entlang der x-Achse. Ferner unterscheidet sich die Exzentrizität der Ellipse 126 von der der Ellipse 124. Bei einer von Ellipse 128 dargestellten Bewegung, die kongruent zu Ellipse 126 ist, ist die Phase zwischen den longitudinalen und transversalen Vibrationen eingestellt, um die Ellipse 128 bezüglich der Ellipse 126 zu rotieren. Zur Erleichterung der Darstellung sind die Haupt- und Nebenachse für jede Ellipse dargestellt.
In den voranstehenden Bewegungsbeispielen wird angenommen, dass sowohl die longitudinalen als auch die transversalen Vibrationsmoden im Wesentlichen die gleiche Frequenz aufweisen. Es ist ferner möglich, in der Reibungsnoppe 90 ausgefallenere Bewegungsformen zu erzeugen. Beispielsweise kann V2 eine Wechselspannung anlegen, um eine transversale Vibrationsmode des Mikromotors 80 anzuregen, die eine Frequenz aufweist, die dem Doppelten der Frequenz einer longitudinalen Vibrationsmode entspricht, die von V1 angeregt wird. Die resultierende Bewegungsbahn der Reibungsnoppe 90 ist eine beschriebene Acht 130.
Aus der oben genannten Betrachtung ist ersichtlich, dass der in der 2B dargestellte Mikromotor 80, der gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wie in 2 dargestellt betrieben wird, gesteuert werden kann, um einen Körper, den dieser bewegt, langsam und ruhig zu erfassen. Ferner kann eine verbesserte Steuerung der Bewegung eines Körpers vorgesehen werden, den dieser bewegt, wenn der Körper abgebremst wird und zum Stillstand gebracht wird, so dass er genau an einem gewünschten Ort positioniert ist.
Die 2C zeigt eine graphische Darstellung 200, die schematisch ein Beispiel dafür wiedergibt, wie longitudinale und transversale Vibrationen in dem Mikromotor 80 gesteuert werden, um einen Körper, den der Mikromotor 80 bewegt, ruhig und genau gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zu starten und zu stoppen. In der graphischen Darstellung 200 sind die Amplituden der longitudinalen und transversalen Vibrationen des Mikromotors 80 als Funktion der Zeit dargestellt, während der Mikromotor 80 einen Körper vom Stillstand ausgehend von einem ersten Ort beschleunigt und diesen an einem zweiten Ort zur Ruhe bringt. Die durchgezogene Linienkurve 202 zeigt die Amplitude der longitudinalen Vibrationen und die gestrichelte Linienkurve 204 zeigt die Amplitude der transversalen Vibrationen.
Zum Zeitpunkt T1 befindet sich der Körper an dem ersten Ort und die Elektroden in dem Mikromotor 80 werden von der Leistungsquelle V1 mit elektrischer Energie versorgt, um in dem Mikromotor 80 longitudinale Vibrationen anzuregen. In dem von der graphischen Darstellung 200 dargestellten Beispiel wird die von V1 vorgesehene Spannung gesteuert, um auf einen maximalen gewünschten Wert in einer kurzen Anstiegszeit anzusteigen und danach für eine Zeitdauer auf einem „Plateau" zu verbleiben. Dementsprechend erreichen die longitudinalen Vibrationen schnell eine gewünschte konstante Betriebsamplitude „AL", die von der Höhe eines Plateaus 206 in der Kurve 202 gekennzeichnet ist. An den Zeitpunkt T1, und so lange nur longitudinale Vibrationen in dem Mikromotor 80 angeregt werden, wird von dem Mikromotor 80 keine Bewegung an den Körper übertragen, wobei sich der Körper nicht bewegt und der Mikromotor 80 betrieben wird, ohne mit dem Körper belastet zu sein.
Zum Zeitpunkt T2, nachdem die longitudinalen Vibrationen ihre gewünschte Amplitude erreicht haben, wird die Leistungsquelle V2 angeschaltet, um die Elektroden in dem Mikromotor 80 mit elektrischer Energie zu versorgen und um in dem Mikromotor 80 transversale Vibrationen anzuregen. Die Stärke der Spannung, die V2 an die Elektroden anlegt, wird vorzugsweise relativ langsam von Null zum Zeitpunkt T2 auf ein gewünschtes Maximum angehoben, welches zu einem Zeitpunkt T3 erreicht wird. Die Amplitude der transversalen Vibrationen, welche von der Kurve 204 graphisch dargestellt ist, folgt der Spannung von V2 und steigt in gleicher Weise langsam von Null zum Zeitpunkt T2 auf eine maximale transversale Amplitude „AT" zu einem Zeitpunkt T3.
Mit dem Beginn der transversalen Vibrationen zum Zeitpunkt T2 beginnt der Körper, sich von dem ersten Ort weg in Richtung zu dem zweiten Ort zu beschleunigen. Zum Zeitpunkt T3 beendet der Körper die Beschleunigung und bewegt sich mit einer konstanten Laufgeschwindigkeit zu dem zweiten Ort. Während Zeitperioden, in denen die longitudinale Amplitude konstant ist, wird die Schrittgröße, mit der der Mikromotor 80 Bewegung an den Körper überträgt, von der transversalen Amplitude gesteuert und ist im Wesentlichen proportional hierzu. Als Ergebnis ist die Beschleunigung des Körpers zwischen den Zeiten T2 und T3 im Wesentlichen proportional zu der zeitlichen Ableitung der Kurve 204 zwischen den Zeitpunkten T2 und T3, wobei der Betrag der Laufgeschwindigkeit im Wesentlichen proportional zu AT ist. Der Körper bewegt sich mit einer ruhigen, genau gesteuerten Bewegung von dem ersten Ort weg.
Zu einem Zeitpunkt T4 hat der Körper eine Position erreicht, die nahe dem zweiten Ort ist, und die Spannung, welche von V2 vorgesehen wird, wird vorzugsweise gesteuert, um mit einer relativ langsamen Herabsenkung zu beginnen, so dass diese zu einem Zeitpunkt T5 im Wesentlichen gleich Null ist. In Reaktion darauf verringert sich zwischen den Zeitpunkten T4 und T5 die transversale Amplitude von AT auf Null. Mit der Verringerung der transversalen Amplitude verringert sich die Schrittgröße, und der Körper wird langsam und genau von seiner Laufgeschwindigkeit abgebremst, so dass dieser zu dem Zeitpunkt T5 im Wesentlichen stationär ist und an dem zweiten Ort positioniert ist. Nach dem Positionieren des Körpers an dem zweiten Ort wird die longitudinale Spannung, welche von V1 vorgesehen wird, vorzugsweise auf Null verringert, so dass zu einem Zeitpunkt T6 die longitudinalen Vibrationen beendet sind.
In dem oben beschriebenen Beispiel einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird die Beschleunigungs- und Abbremsungsrate des von dem Mikromotor 80 bewegten Körpers im Wesentlichen nur von transversalen Vibrationen gesteuert. Jedoch kann die Amplitude der longitudinalen Vibrationen verwendet werden, um die Zeitdauer zu steuern, in der der Mikromotor 80 mit dem Körper während jedes longitudinalen Vibrationszyklus gekoppelt ist. Als Ergebnis kann die Amplitude der longitudinalen Vibrationen sowie die Amplitude der transversalen Vibrationen verwendet werden, um die Schrittgröße des Mikromotors und somit die Beschleunigung und die Abbremsung des Körpers zu steuern. Daher werden in einigen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung sowohl die longitudinalen als auch die transversalen Vibrationen zeitlich während der Startphase und des Anhaltens variiert, um eine genaue Steuerung der von dem Mikromotor 80 an einen beweglichen Körper übertragene Bewegung vorzusehen.
Beispielsweise können in der Startphase eines Körpers gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung die longitudinalen Vibrationen angeschaltet werden, und deren Amplituden können auf eine Betriebsamplitude mit einer moderaten Rate erhöht werden, anstatt, wie in 3C dargestellt, im Wesentlichen augenblicklich erhöht zu werden. Wenn die transversalen Vibrationen angeschaltet werden und sich erhöhen, während die longitudinalen Vibrationen ansteigen, wird die Schrittgröße des Mikromotors 80 und somit die Beschleunigung des Körpers durch die Erhöhungsraten sowohl der longitudinalen als auch der transversalen Vibrationen gesteuert.
Weitere Szenarios zum Steuern der longitudinalen und transversalen Vibrationen zum Vorsehen von genau gesteuerter Bewegung gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung und Variationen in den beschriebenen Szenarios sind möglich und können vorteilhaft sein. Diese Variationen und weiteren Szenarios sind für den Fachmann naheliegend.
Die 2D zeigt in schematischer Weise ein Verfahren zum Betreiben des Mikromotors 80, der verwendet wird, um longitudinale und Biegungsvibrationen in dem Mikromotor 80 unabhängig voneinander anzuregen und zu steuern.
Wie auch in der 2B sind in der 2D große Elektroden 66 und 68 miteinander verbunden und auf Masse gelegt, und die Quadrantenelektroden 51, 52, 53 (nicht dargestellt) und 54 (nicht dargestellt) miteinander verbunden, um die Elektrode 51-54 zu bilden. Die Elektrode 51-54 ist mit einer Wechselstrom-Leistungsversorgung V1 verbunden und wird verwendet, um longitudinale Vibrationen in dem Mikromotor 80 anzuregen. Die Quadrantenelektroden 41, 44 auf der Schicht 20 und Quadrantenelektroden 62 und 63 (die Quadrantenelektrode 63 ist nicht dargestellt und befindet sich auf der Schicht 26 unter dem Quadrant 43) sind miteinander verbunden. Diese Elektroden werden gemeinsam als „Querelektrode 41-62" bezeichnet. In gleicher Weise sind die Quadrantenelektroden 42, 43, 61 und 64 (nicht dargestellt und unter der Elektrode 44 befindlich) miteinander verbunden und werden kollektiv als „Querelektrode 42-61" bezeichnet.
Die Querelektroden 41-62 und 42-61 sind mit einer Wechselstrom-Leistungsquelle V2 verbunden und werden 180° phasenversetzt angesteuert. Wenn sich daher das Material in der Schicht 20 unter den Quadrantenelektroden 41 und 44 kontrahiert, expandiert das Material in der Schicht 20 unter den Quadrantenelektroden 42 und 43, das Material in der Schicht 26 über den Quadrantenelektroden 61 und 64 (unterhalb der Elektroden 41 und 44) expandiert, und das Material in der Schicht 26 über den Quadrantenelektroden 62 und 63 (unter den Elektroden 42 und 43) kontrahiert. Die Kontraktionen und Expansionen „biegen" den Mikromotor 80 in der z-Richtung in einer „S"-Form und erzeugen in dem Mikromotor 80 im Wesentlichen nur Biegungsvibrationen. Wenn nur die Leistungsversorgung V2 den Mikromotor 80 anregt, führt die Reibungsnoppe 90 eine im Wesentlichen lineare Vibrationsbewegung in z-Richtung durch, wobei die lineare Bewegung von dem Doppellinienpfeil 132 dargestellt ist. Durch Kombinieren der longitudinalen und Biegungsvibrationen kann die Reibungsnoppe 90 gesteuert werden, um in der y-z-Ebene Bewegung auszuführen, die den Bewegungen ähneln, welche die Reibungsnoppe 90 in der x-y-Ebene ausübt, wenn die longitudinalen und transversalen Vibrationen kombiniert werden, wie bereits anhand der 2B betrachtet wurde. Einige dieser Bewegungen sind schematisch durch die Ellipsen 134, 136 und 138 dargestellt.
Es ist ersichtlich, dass in bevorzugten Ausführungen jede Elektrode getrennt mit einer Verbindungseinheit verbunden ist, während in den 2A-2D alle Verbindungen als fest verdrahtet dargestellt sind. Die Einheit ist vorzugsweise mit einer Vielzahl von Schaltern und Schaltungsmodi vorgesehen, wobei das System mit einer Vielzahl von Spannungsquellen vorgesehen ist, so dass jegliche Kombination von Bewegung in x- und z-Richtung erreicht wird.
Weitere Mikromotoren gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung können anhand anderer Anzahlen an Schichten und anderen Elektrodenkonfigurationen ausgebildet werden. Ferner können verschiedene Schichten einen Mikromotor gemäß einer bevorzugten Ausführung andere Dicken haben und aus anderen Materialien hergestellt sein.
Beispielsweise zeigt die 3 einen Mikromotor 140 gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, der aus zwei dünnen rechteckigen piezoelektrischen Schichten 142 und 144 ausgebildet ist. In der perspektivischen Ansicht von 3 sind die verdeckten Merkmale des Mikromotors 140, die zur Betrachtung des Mikromotors 140 relevant sind, in Schattenlinien dargestellt. Der Mikromotor 140 hat relativ große obere und untere Stirnseiten-Oberflächen 146 bzw. 148 und vorzugsweise eine Reibungsnoppe 150, die auf einer kurzen Kantenoberfläche 152 angeordnet ist.
Auf der oberen Oberfläche 146 sind vorzugsweise vier Quadrantenelektroden 161, 162, 163 und 164 ausgebildet. Eine einzelne große Elektrode 166 ist vorzugsweise auf der unteren Oberfläche 148 angeordnet. Eine einzelne große Elektrode 168 ist vorzugsweise zwischen den Schichten 142 und 144 angeordnet.
Wenn in dem Mikromotor 140 Vibrationen angeregt werden, ist die Elektrode 168 vorzugsweise auf Masse gelegt. Eine an die Elektrode 166 auf der unteren Oberfläche 148 angelegte Wechselspannung regt longitudinale Vibrationen entlang der y-Richtung in der Schicht 144 und somit in dem Mikromotor 140 an. Die Quadrantenelektroden sind diagonal miteinander verbunden und werden wie oben erklärt mit elektrischer Energie versorgt, um transversale Vibrationen in der x-Richtung in der Schicht 142 und somit in dem Mikromotor 140 anzuregen.
Um Biegungsvibrationen entlang der z-Richtung in dem Mikromotor 140 anzuregen, werden gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung die Elektroden 161 und 164 elektrisch miteinander verbunden, und die Quadrantenelektroden 162 und 163 werden elektrisch miteinander verbunden. Das Elektrodenpaar 161-164 und Elektrodenpaar 162-163 werden daraufhin mit Wechselspannungen mit elektrischer Energie versorgt, die um 180° phasenversetzt sind. Ferner werden gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung auch Biegungsvibrationen in dem Mikromotor 140 erzeugt, indem alle Quadrantenelektroden 161, 162, 163 und 164 elektrisch miteinander verbunden werden. An die verbundenen Quadrantenelektroden sowie an die Elektrode 166 werden Wechselspannungen angelegt, um die Schicht 144 dazu zu veranlassen, zu kontrahieren und zu expandieren, wenn sich die Schicht 142 entsprechend expandiert und kontrahiert.
Während ferner die 2A-2D und 3 die Bewegung nur in orthogonale Richtungen dargestellt haben, ist ersichtlich, dass Bewegung in jede Richtung in der x-z-Ebene ebenfalls möglich ist. Dies kann mittels einer Anzahl an Konfigurationen erreicht werden. Ein Verfahren umfasst das Hinzufügen einer weiteren piezoelektrischen Platte auf der Unterseite der Konfiguration von 3, wobei eine feste Elektrode der Elektrode 148 gegenüberliegt und die Quadrantenelektroden von dem Mikromotor nach außen gerichtet sind. Die in 3 dargestellten Elektroden werden dann konfiguriert, um eine in x-Richtung gerichtete Bewegung wie oben beschrieben auszuführen, und die Quadrantenelektroden auf der weiteren Platte werden konfiguriert, um eine in z-Richtung gerichtete Bewegung auszuführen, wie es ebenfalls oben beschrieben ist.
Der Grad an Anregung der zwei Quadrantengruppenelektroden bestimmt dann die Gesamtrichtung der Bewegung in der x-z-Ebene, wobei die Richtung beginnend bei der z-Richtung kontinuierlich bis zur x-Richtung einstellbar ist. Es ist ferner möglich, zwei der Motoren vorzusehen, deren Stirnseiten 148 aneinander befestigt sind, wobei einer der Motoren zur Bewegung in x-Richtung angeregt wird und einer zur Bewegung in z-Richtung angeregt wird. Das Gesamtergebnis ist eine Bewegung in der x-z-Ebene, die einen steuerbaren Winkel hat, welcher durch die zwei Anregungen steuerbar ist.
Es wurden Verfahren zum genauen Steuern von Bewegung, die an einen beweglichen Körper von einem Mikromotor übertragen wird, für Vielschicht-Mikromotoren gemäß bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben, für die longitudinale und transversale oder Biegungs-Vibrationen unabhängig voneinander steuerbar sind. Ähnliche Verfahren sind für jeden piezoelektrischen Mikromotor anwendbar, einschließlich Einschicht-Mikromotoren, für die longitudinale und transversale oder Biegungsvibrationen unabhängig steuerbar sind.
Die 4A und 4B zeigen Monoblock-Mikromotoren 210 bzw. 212, die Beispiele für Einschicht-Mikromotoren sind, für die die transversalen und longitudinalen Vibrationen unabhängig voneinander steuerbar sind. Diese Mikromotoren sind in dem oben bezeichneten Patent US 5,616,980 dargestellt und beschrieben. Weitere Einzelschicht-Mikromotoren, die die unabhängige Steuerung von longitudinalen und transversalen Vibrationen ermöglichen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Richtungen bezüglich des in den 5A und 5B dargestellten Mikromotors sind auf ein Koordinatensystem 100 bezogen. Longitudinale Vibrationen in dem Mikromotor sind parallel zu der y-Achse und transversale Vibrationen sind parallel zu der x-Achse.
In jeder der 4A und 4B sind die longitudinalen Vibrationen in dem Mikromotor von einer Elektrode oder von Elektroden gesteuert dargestellt, die mit „L" bezeichnet sind, und transversale Vibrationen sind mit Elektroden gesteuert, die mit „T" bezeichnet sind. L- und T-Elektroden sind auf einer ersten Stirnseiten-Oberfläche 214 der Mikromotoren angeordnet. Eine zweite Stirnseiten-Oberfläche (nicht dargestellt), die parallel zu der ersten Stirnseiten-Oberfläche ist, weist eine einzige große Massenelektrode (nicht dargestellt) auf. T-Elektroden sind in einer „diagonalen Konfiguration" geschaltet und werden betrieben, um transversale Vibrationen anzuregen. Die Feinsteuerung der Bewegung, die von jedem dieser Mikromotoren übertragen wird, kann erreicht werden, indem die Amplituden und Phasen von longitudinalen und transversalen Vibrationen wie oben beschrieben für Vielschicht-Mikromotoren gemäß bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung gesteuert werden.
Die 5 zeigt einen Mikromotor 230, der in dem Patent US 5,616,980 beschrieben ist und der vier Quadrantenelektroden 231, 232, 233 und 234 aufweist, der auf einer ersten Stirnseiten-Oberfläche 236 des Mikromotors angeordnet ist. Eine zweite Stirnseiten-Oberfläche (nicht dargestellt) parallel zu der Stirnseiten-Oberfläche 236 hat eine große Masseelektrode (nicht dargestellt). Die auf den Mikromotor 230 bezogenen Richtungen beziehen sich auf das Koordinatensystem 100.
Der Mikromotor 230 hat keine getrennten Elektroden, die zur Steuerung lediglich der longitudinalen und transversalen Vibrationen in dem Mikromotor bestimmt sind. Jedoch sind die Elektroden in dem Mikromotor 230 gemäß bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit elektrischer Energie versorgbar, um die oben beschriebene feine Bewegungssteuerung vorzusehen. Beispielsweise sind in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung Diagonal-Elektrodenpaare 231-233 und 232-234 unabhängig durch die jeweiligen Spannungsquellen V1 und V2 mit elektrischer Energie versorgbar. Wenn ein Körper gestartet wird, werden V1 und V2 vorzugsweise so betrieben, dass deren Ausgangsspannungen gleichphasig sind und die gleiche Stärke aufweisen. Somit werden in dem Mikromotor 230 nur longitudinale Vibrationen angeregt. Transversale Vibrationen werden angeregt und deren Amplitude wird langsam erhöht, während der Motor weiterhin longitudinal vibriert, indem die Phase zwischen den Ausgangsspannungen V1 und V2 geändert wird, und/oder indem das Verhältnis zwischen den Ausgangsspannungen verändert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden longitudinale und transversale oder Biegungs-Resonanzvibrationen in einem Mikromotor unabhängig über die Frequenz einer an die Elektroden in dem Mikromotor angelegte Wechselspannung gesteuert, um eine Feinbewegungssteuerung vorzusehen. Es ist bekannt, dass im Allgemeinen die Anregungskurven für longitudinale und transversale oder Biegungs-Resonanzvibrationen in einem piezoelektrischen Mikromotor sich nicht vollständig überlappen. Als Ergebnis ist es im Allgemeinen möglich, zu steuern, welche Resonanzvibrationen angeregt werden, indem die Frequenz der an die Elektroden in dem Mikromotor angelegten Spannung gesteuert wird.
Beispielsweise können sowohl longitudinale als auch transversale Vibrationen in den oben beschriebenen Mikromotoren angeregt werden, indem eine Wechselspannung an eine Gruppe Diagonalelektroden angelegt wird, und die anderen Diagonalelektroden auf Masse gelegt oder freigeschaltet werden. Jedoch hängt die Effizienz, mit der Energie an jede der longitudinalen und transversalen Resonanzvibrationen gekoppelt wird, von der Frequenz der angelegten Spannung ab. Für einige Frequenzen wird im Wesentlichen nur die eine oder die andere der resonanten longitudinalen und transversalen Vibrationen angeregt. Für andere Frequenzen werden beide Resonanzvibrationen effizient angeregt. Es ist daher möglich, die Gruppe Diagonalelektroden bei einer Frequenz mit elektrischer Energie zu versorgen, für die im Wesentlichen nur eine longitudinale Resonanz-Vibration angeregt wird Eine transversale Resonanzvibration kann daraufhin angeregt werden, während weiterhin Energie in die longitudinale Resonanz-Vibration gekoppelt wird, indem die Frequenz der angelegten Wechselspannung auf eine Frequenz verschoben wird, für die sich die Anregungskurven der longitudinalen und transversalen Resonanzvibrationen überschneiden.
In den Vielschicht-Mikromotoren, welche in den 1A-3 dargestellt sind, sind alle Schichten piezoelektrische Schichten. Vielschicht-Mikromotoren gemäß bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung, die eine Feinbewegungssteuerung in zwei orthogonale Richtungen vorsehen, können hergestellt werden, indem mindestens eine der Schichten eine Schicht aus einem nicht-piezoelektrischen Material ausgebildet ist. Die Merkmale des nicht-piezoelektrischen Materials können ausgewählt werden, um gewünschte Qualitäten, beispielsweise eine erhöhte mechanische Integrität, eine gewünschte Güte (Q-Wert) oder bestimmte Resonanzfrequenz in dem Vielschicht-Mikromotor vorzusehen.
Beispielsweise haben Mikromotoren, die eine verschleißfeste Reibungsnoppe aufweisen, die mit einem Oberflächenbereich des Mikromotors verbunden ist, die Neigung, nahe dem Oberflächenbereich an der Stelle abzubrechen, wo die Reibungsnoppe mit der Oberflächenregion verbunden ist. Die Neigung zum Abbrechen wird manchmal verstärkt, wenn die Reibungsnoppe gemäß bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit einer Kantenoberfläche eines Vielschicht-Mikromotors verbunden ist, dessen Kantenoberfläche aus Kantenoberflächen einer Vielzahl von Schichten in einem Vielschicht-Mikromotor gebildet ist. Ferner kann es schwer sein, eine belastbare federnde Verbindung zwischen einer Reibungsnoppe und einer Kantenoberfläche vorzusehen, die aus einer Vielzahl zueinander angeordneter Kantenoberflächen aus Schichten in dem Mikromotor ausgebildet ist. Durch Vorsehen einer Schicht in einem Vielschicht-Mikromotor, der gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung aus einem Verschleißfesten Material, beispielsweise Stahl, ausgebildet ist, kann statt der Reibungsnoppe eine Kantenoberfläche der verschleißfesten Schicht verwendet werden. Das Erfordernis, eine verschleißfeste Reibungsnoppe mit dem Mikromotor zu verbinden, wird vermieden, und die mechanische Integrität des Vielschicht-Mikromotors wird erhöht. Der Mikromotor ist weniger für Effekte anfällig, für die Mikromotoren mit Reibungsnoppen anfällig sind.
Die 6 zeigt einen piezoelektrischen Mikromotor 180, der aus zwei dünnen rechteckigen piezoelektrischen Schichten 182 und 184 ausgebildet ist, zwischen denen eine dünne rechteckige Schicht 186 aus nicht-piezoelektrischem Material angeordnet ist. Vorzugsweise hat die nicht-piezoelektrische Schicht 186 eine Dicke, die im Wesentlichen der Dicke einer der piezoelektrischen Schichten 182 oder 184 entspricht. Typischerweise haben alle Schichten 182, 184 und 186 die gleiche Dicke in einem Dickenbereich zwischen 100 Mikron und 2 mm. Vorzugsweise sind die Schichten 182 und 184 in zueinander entgegengesetzten Richtungen senkrecht zu deren langen Stirnseiten-Oberflächen polarisiert. Die Richtung der Polarisation der Schichten 182 und 184 ist mit dem Doppellinienpfeil 36 gekennzeichnet.
Die piezoelektrische Schicht 182 hat eine relativ große Stirnseiten-Oberfläche 188, auf der vorzugsweise vier Quadrantenelektroden 190 angeordnet sind. Vorzugsweise ist die piezoelektrische Schicht 184 ein Spiegelabbild der piezoelektrischen Schicht 182. Vorzugsweise ist die nicht-piezoelektrische Schicht 186 aus einem verschleißfesten Material wie Stahl ausgebildet. Vorzugsweise ist die Metallschicht 186 geringfügig länger als die piezoelektrischen Schichten 182 und 184, so dass mindestens eine kurze Kantenoberfläche 192 der Metallschicht 186 von den piezoelektrischen Schichten 182 und 184 hervorsteht. Die Metallschicht 186 arbeitet vorzugsweise als Masseplatte.
Longitudinale, transversale und Biegungsvibrationen werden in der metallischen Schicht 186 angeregt, indem Quadrantenelektroden 190 auf piezoelektrischen Platten 182 und 184 unter Verwendung der oben genannten Verfahren mit elektrischer Energie versorgt werden. Von dem piezoelektrischen Mikromotor 180 wird Energie auf einen beweglichen Körper durch federndes Andrücken der kurzen Kantenoberfläche 192 der Schicht 186 auf einen Oberflächenbereich des Körpers übertragen.
Der piezoelektrische Mikromotor 180 ist mit drei Schichten dargestellt, von denen eine eine nicht-piezoelektrische Schicht ist, wohingegen ein piezoelektrischer Vielschicht-Mikromotor gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden kann, der eine Vielzahl dünner, nicht-piezoelektrischer Schichten umfasst, die abwechselnd bzw. in Interleave-Gruppierung zwischen piezoelektrischen Schichten oder mit einer einzelnen nicht-piezoelektrischen Schicht und mit mehr als zwei piezoelektrischen Schichten vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Verwendung von nicht beschränkenden detaillierten Beschreibungen bevorzugter Ausführungen der Erfindung beschrieben, die beispielhaft vorgesehen sind und die den Umfang der Erfindung nicht beschränken sollen. Für den Fachmann sind Variationen der beschriebenen Ausführungen nahe liegend. Der Umfang der Erfindung ist nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

Piezoelektrischer Mikromotor (80, 140, 180) zum Bewegen eines beweglichen Elements, umfassend: einen Vibrator in Gestalt eines rechteckigen Parallelepipeds, gebildet aus einer Mehrzahl von dünnen Schichten (20, 22, 24, 26) von piezoelektrischem Material, welche eine erste und eine identische zweite, vergleichsweise große rechteckige Stirnseiten-Oberfläche (28, 30) aufweisen, definiert durch lange und kurze Kanten-Flächen (32, 34), wobei die Schichten übereinander angeordnet sind, und wobei deren Stirnseiten-Oberflächen miteinander verbunden sind; Elektroden (41, 42, 43, 44, 66) auf Oberflächen der Schichten; einen Kontakt-Bereich (90, 150), angeordnet auf einer oder mehreren Kanten-Oberflächen der Schichten, gegen den Körper gedrückt; und mindestens eine elektrische Energieversorgung (V, V1, V2), welche Elektroden elektrisch beaufschlagt, um Vibrationen in dem Vibrator und somit in dem Kontaktbereich, welcher Bewegung auf den Körper überträgt, anzuregen; wobei mindestens einige der Elektroden elektrisch beaufschlagbar sind, um transversale Vibrationen in dem Vibrator anzuregen, wobei die transversalen Vibrationen Vibrationen parallel zu der einen oder den mehreren Kanten der Schichten sind, auf welchen der Kontaktbereich angeordnet ist.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß Anspruch 1, wobei die eine oder mehrere Kantenflächen kurze Kantenflächen (88, 89) der Schichten sind.
Piezoelektrischer Mikromotor (80, 140, 180) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 und einschließend ein verschleißbeständiges Element (90, 150), angeordnet auf dem Kontaktbereich zum Kontakt mit dem Körper.
Piezoelektrischer Mikromotor (80, 140, 180) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend Elektroden auf Stirnseiten-Oberflächen der Schichten, welche elektrisch beaufschlagbar sind mit einer Wechselspannung, welche durch die Energieversorgung bereitgestellt wird, um elliptische Vibrationen in dem Vibrator anzuregen, welche eine steuerbare Exzentrizität haben.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: eine einzelne große (66) Elektrode auf einer ersten Stirnseiten-Oberfläche jeder Schicht; und vier Quadranten-Elektroden (51, 52, 53, 54) auf einer zweiten Stirnseiten-Oberfläche jeder Schicht, wobei die Quadranten-Elektroden in einem Schachbrett-Muster angeordnet sind.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß einem der Ansprüche 1-3, umfassend eine einzelne große Elektrode auf einer ersten Stirnseiten-Oberfläche jeder Schicht (166); und eine einzelne große Elektrode (168) auf der zweiten Stirnseiten-Oberfläche mindestens einer, jedoch nicht aller Schichten; vier Quadranten-Elektroden (161, 162, 163, 164) auf der zweiten Stirnseiten-Oberfläche mindestens einer Schicht, wobei die Quadranten-Elektroden in einem Schachbrett-Muster angeordnet sind.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß Anspruch 5, wobei mindestens zwei nicht-benachbarte Stirnseiten-Oberflächen (28) Quadranten-Elektroden (41, 42, 43, 44, 51, 52, 53, 54) aufweisen.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß Anspruch 5, wobei die mindestens eine Energieversorgung alle Quadranten-Elektroden auf der zweiten Stirnseiten-Oberfläche mindestens einer, jedoch nicht aller Schichten mit derselben Wechselspannung beaufschlagt, um longitudinale Vibrationen in dem Vibrator und somit in der Kontaktoberfläche anzuregen, wobei longitudinale Vibrationen Vibrationen parallel zu den Kanten der Schichten sind, auf welchen der Kontaktbereich angeordnet ist.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß Anspruch 6, wobei die Energieversorgung eine große Elektrode auf der zweiten Stirnseiten-Oberfläche mindestens einer Schicht mit einer Wechselspannung beaufschlagt, um longitudinale Vibrationen in dem Vibrator und somit in dem Kontaktbereich zu erregen, wobei longitudinale Vibrationen Vibrationen parallel zu den Kanten der Schichten sind, auf welchen der Kontaktbereich angeordnet ist.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei für mindestens eine Schicht die mindestens eine Energieversorgung ein erstes Paar von diagonal angeordneten Quadranten-Elektroden mit einer ersten Wechselspannung beaufschlagt und ein zweites Paar von Quadranten-Elektroden entlang einer zweiten Diagonale mit einer zweiten Wechselspannung, und wobei die erste und die zweite Wechselspannung um 180° phasenverschoben sind und dieselbe Stärke aufweisen, um transversale Vibrationen in dem piezoelektrischen Vibrator anzuregen.
Piezoelektrischer Motor gemäß Anspruch 10, wobei die mindestens eine Schicht eine Mehrzahl von Schichten umfasst, und wobei homologe Elektroden auf verschiedenen Schichten der Mehrzahl von Schichten mit derselben Spannung beaufschlagt werden.
Piezoelektrischer Motor gemäß Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die mindestens eine Energiequelle Stärken von Wechselspannungen steuert, welche eingesetzt werden, um longitudinale und transversale Vibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen und Amplituden von Vibrations-Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene parallel zu den Ebenen der Schichten bereitzustellen.
Piezoelektrischer Motor gemäß einem der Ansprüche 10-12, wobei die mindestens eine Energiequelle Phasen von Wechselspannungen steuert, welche eingesetzt werden, um longitudinale und transversale Vibrationen zu erregen, um selektiv verschiedene Formen von Vibrations-Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene parallel zu den Ebenen der Schichten bereitzustellen.
Piezoelektrischer Motor gemäß einem der Ansprüche 10-13, wobei die mindestens eine Energiequelle Frequenzen von Wechselspannungen steuert, welche eingesetzt werden, um longitudinale und transversale Vibrationen zu erregen, um selektiv verschiedene Formen von Vibrations-Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene parallel zu den Ebenen der Schichten bereitzustellen.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß einem der Ansprüche 8-14, wobei für mindestens eine Schicht die mindestens eine Energieversorgung ein erstes Paar von Elektroden entlang einer ersten kurzen Kante der Schicht und ein zweites Paar von Quadranten-Elektroden entlang einer zweiten kurzen Kante jeweils mit einer ersten und einer zweiten Wechselspannung beaufschlagt, welche um 180° phasenverschoben sind und welche dieselbe Stärke aufweisen, um Biege-Vibrationen senkrecht zu den Ebenen der Schichten in dem piezoelektrischen Vibrator anzuregen.
Piezoelektrischer Motor gemäß Anspruch 15, wobei die mindestens eine Schicht eine Mehrzahl von Schichten umfasst.
Piezoelektrischer Motor gemäß Anspruch 16, wobei homologe Elektroden auf Schichten, welche auf derselben Seite einer Stirnseiten-Oberfläche innerhalb des Vibrators angeordnet sind, in Phase elektrisch beaufschlagt werden, und wobei homologe Elektroden auf Schichten, welche auf einander gegenüberliegenden Seiten der Stirnseiten-Oberflächen angeordnet sind, um 180° phasenverschoben elektrisch beaufschlagt werden.
Piezoelektrischer Motor gemäß Anspruch 15 oder Anspruch 17, wobei die mindestens eine Energiequelle Stärken von Wechselspannungen steuert, welche eingesetzt werden, um longitudinale Vibrationen und Biege-Vibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen und Amplituden von Vibrations-Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene senkrecht zu den Ebenen der Schichten bereitzustellen.
Piezoelektrischer Motor gemäß einem der Ansprüche 15-18, wobei die mindestens eine Energiequelle Phasen von Wechselspannungen steuert, welche eingesetzt werden, um longitudinale Vibrationen und Biege-Vibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen von Vibrations-Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene senkrecht zu den Ebenen der Schichten bereitzustellen.
Piezoelektrischer Motor gemäß einem der Ansprüche 15-19, wobei die mindestens eine Energiequelle Frequenzen von Wechselspannungen steuert, welche eingesetzt werden, um longitudinale und transversale Vibrationen anzuregen, um selektiv verschiedene Formen von Vibrations-Bewegung des Kontaktbereichs in einer Ebene parallel zu den Ebenen der Schichten bereitzustellen.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß einem der Ansprüche 5-20, wobei für mindestens eine Schicht die mindestens eine Energieversorgung ein Paar von Quadranten-Elektroden, welche entlang einer ersten Diagonale der Schicht liegen, mit einer Wechselspannung beaufschlagt, wohingegen ein Paar von Quadranten- Elektroden entlang einer zweiten Diagonale der Schicht geerdet sind oder erdfrei (floating) sind, um elliptische Vibrationen in dem Vibrator anzuregen.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß Anspruch 21, wobei die mindestens eine Schicht eine Mehrzahl von Schichten umfasst, und wobei homologe Elektroden mit derselben Wechselspannung beaufschlagt sind.
Piezoelektrischer Motor gemäß Anspruch 21 oder 22, wobei die mindestens eine Energieversorgung die Frequenz der Wechselspannung steuert, um selektiv die Exzentrizität der elliptischen Bewegung zu steuern.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und umfassend mindestens eine vergleichsweise dünne Schicht (186) von nicht-piezoelektrischem Material, welche große, rechteckige Stirnseiten-Oberflächen aufweist, die durch lange und kurze Kanten definiert sind und vergleichsweise schmale lange und kurze Kantenflächen.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß Anspruch 24, wobei die eine der Kanten (192) der mindestens einen nicht-piezoelektrischen Schicht im Wesentlichen längengleich ist zu einer der korrespondierenden Kanten der piezoelektrischen Schichten.
Piezoelektrischer Motor gemäß Anspruch 25, wobei die eine Kante eine kurze Kante (192) ist.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß Anspruch 25 oder Anspruch 26, wobei die anderen Kanten der mindestens einen nicht-piezoelektrischen Schicht leicht länger als die korrespondierenden anderen Kanten der piezoelektrischen Schichten sind, so dass mindestens eine Kantenoberfläche der nicht-piezoelektrischen Schicht aus den piezoelektrischen Schichten hervorsteht.
Piezoelektrischer Motor gemäß Anspruch 27, wobei die andere Kante die lange Kante ist, und wobei mindestens eine kurze Kantenfläche der nicht-piezoelektrischen Schicht aus den piezoelektrischen Schichten hervorsteht.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß Anspruch 27 oder Anspruch 28, wobei der Kontaktbereich einen Bereich von einer der mindestens einen hervorstehenden Kantenfläche (192) umfasst.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß einem der Ansprüche 25-29, wobei die mindestens eine nicht-piezoelektrische Schicht (186) aus einem Metall gebildet ist.
Piezoelektrischer Mikromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgung in der Lage ist, die Elektroden elektrisch zu beaufschlagen, um Bewegung in einer selektiv beliebigen Richtung in der Ebene der Kantenflächen, auf welchen die Kontaktfläche angeordnet ist, zu erzeugen.