SE510153C2 - Piezoelektrisk miniatyrmotor - Google Patents

Description

O: CD ut ut Konstruktionen baseras på positionering enligt "inchworm" principen: att rörelse skapas genom att aktiva gripelement sekventiellt griper, flyttar, släpper t.ex. en rotor för att sedan återgår till ursprungsläget. Den mest likartade konstruktionen finns beskriven i patent U.S. 4.468.583 (Hitachi Ltd), vilket i princip är en roterande variant av den tidigare konstruktionen från Burleigh. Hitachis konstruktionen är dock ej lämplig att skala ner då sammansättning av de olika delarna skulle bli mycket komplicerad. Grundidén i föreliggande uppfinning är att vart drivelement skall kunna utföra flera rörelsemoder för att på så vis minska antalet komponenter som skall sättas samman. En av de enklaste lösningarna på detta problem visas i Fig 1. I denna förenklade prototypskiss sitter fyra drivelement (3) monterade med infästningar (4) på var sida om en stator (1), och rotom (2) är en axel. Drivelementen är piezoelektriska bimorfa blad och består typiskt av två skikt ferroelektriskt material som polariserats vinkelrätt mot bladets utsträckning. Mellan skikten, samt på ytterytorna, finns elektroder. Genom att växla fältriktningen i de två piezoelektriska skikten så kan följande rörelsemoder erhållas: böjning av bladet samt kontraktion/expansion i längdriktningen. Den eftersträvade utväxlingen av det aktiva materialets formförändring sker via en "inre hävarm".

Utväxlingsfaktom M (böjning/längdförändring av bladet) är: M=l.5(L/t) Genom att välja lämplig längd L och tjocklek t, kan lämplig förflyttning i böjriktningen erhållas. Dimensioenring och exakt design anpassas efter rotorns orundhet, ytfrnhet osv så att optimala egenskaper erhålls.

Principen för hur en motor med fyra blad driver en rotor är följande, Fig 2: i) Drivelementen A griper rotom (böjning mot), Fig 2a ii) Drivelementen B släpper rotom (böjning från), Fig 2a iii) Drivelementen A kontraherar » rotom vrids, Fig 2b iv) Drivelementen B återgär till ursprungsläge (expansion), Fig 2b v) Drivelementen B griper rotom (böjning mot), Fig 2c vi) Drivelementen A släpper rotom (böjniung från), Fig 2c vii) Drivelementen B kontraherar » rotorn vrids, Fig 2d viii) Drivelementen A återgår till ursprungsläge (expansion), Fig 2d Dessa sekvenser repeteras cykliskt, dock inte nödvändigtvis i exakt denna ordningsföljd. För att göra motorn användbar i mikrorobottillämpningar så kan vissa funktioner adderas. En funktion som förenklar konstruktion av komplicerade system är att var motor har lokal intelligens (“srnar1 motor"), dvs en styrlaets är integrerad i tex statorn eller är monterad nära drivelementen. Dessutom bör drivströmmar och styrsignaler kunna överföras via rotom, så att olika delar i ett rnikrorobotsystem kan kommunicera med varandra. Detta kan lösas genom att mönstra olika tunna skikt av ledningsmaterial, åtskilda av isolerande skikt, på rotom så att elektroden på drivelementet står i kontakt med en annan punkt på rotom. Ett viktigt krav på dessa motorer är att rotorn är låst när strömmen slås av, dvs de icke aktiverade drivelementen låser rotorn. Övriga förbättringar i konstruktionen är att drivelementen stabiliseras på olika sätt. Ett sätt är att montera drivelement på var sida om en stator för att öka stabiliteten vinkelrätt mot rotationsaxeln, som i Fig. l. Ett annat sätt är att låsa olika punkter av drivelementen mot statom t.ex. med hjälp av en attraktiv potential.

Claims (9)

510 155 NYA PATENTKRAV

1. En roterande eller linjär motor innefattande en stator (1 ), en rörlig kropp (2) samt ett antal drivelement (3), vilka kan röra sig relativt respektive infästningspunkter (4) i statorn, varvid en kontrollerad formförändring av drivelementen (3) kan driva den rörliga kroppen (2) genom att cykliskt gripa, flytta, släppa och återgå, vilken rörlig kropp (2) alltid är friktionsmässigt låst av åtminstone ett par drivelement (3), kännetecknad av att varje drivelement (3) utgörs av en bimorf eller multimorf kropp av ett piezoelektriskt material, varvid kombinerad böjning/uträtning och kontraktion/expansion av den bimorfa eller multimorfa kroppen, orsakad av styrning av över de piezoelektriska materialen applicerade elektriska fält, utnyttjas för att åstadkomma drivningen av den rörliga kroppen (2).

2. Motor enligt patentkrav 1, kännetecknad av att den rörliga kroppen (2) är en axel, cylinder eller skiva vid drivelementens kontaktyta.

3. Motor enligt patentkrav 1, kännetecknad av att den rörliga kroppen (2) och/eller drivelementen (3) är mönstrade i ett eller flera skikt av ledningsmaterial, åtskilda av isolerande skikt, varvid elektrisk energi och styrsignaler överförs via kontaktpunkter mellan drivelement (3) och den rörliga kroppen (2).

4. Motor enligt patentkrav 1, kännetecknad av att drivelementen (3) låses friktionsmässigt mot statorn ( 1) i en annan punkt än infästningspunkten (4) under vissa rörelsemoder för att öka stabiliteten.

5. Motor enligt patentkrav 1, kännetecknad av att drivelement (3) är monterade på motstående sidor om statorn (1) för att förbättra stabiliteten i riktningar vinkelrätt mot rörelseriktning eller rotationsriktning.

6. Motor enligt patentkrav 1, kännetecknad av att drivelementen (3) är anordnade för att stå i friktionskontakt med den rörliga kroppen (2) när de inte är aktiverade, varvid den rörliga kroppen (2) låses.

7. Motor enligt patentkrav 1, kännetecknad av att infästningspunkten (4) är flexibelt upphängd i statorn (1) och låses friktionsmässigt mot statorn (1) under drivningen av den rörliga kroppen (2).

8. Motor enligt patentkrav 1, kännetecknad av att en eller flera styr- och kommunikationskretsar sitter integrerat i eller monterat i närheten av motorn så att endast drivenergi och styrsignal behövs för att driva motorn utifrån.

9. Motor enligt patentkrav 8, kännetecknad av att det elektromekaniska beteendet hos det aktiva materialet är återkopplat tili kretsarna, varvid motorns rörelse och position är detekterbara.