專利名稱：多向壓電馬達結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及給可移動元件提供運動，特別是利用壓電馬達沿多于一個方向提供可移動元件的運動。
背景技術(shù)：
大多數(shù)壓電馬達通常向可移動元件施加運動，所述馬達沿單條直線前后連接于所述元件，該單條直線以下被稱為“運動軸線”。為了有選擇地沿多于一個運動軸線向可移動元件施加運動，通常為所希望運動的每一不同軸線使用相對復雜的傳輸系統(tǒng)，從而將不同的壓電馬達連接到可移動元件。
例如，為了提供能夠提供一種XY位置工作臺，該工作臺能夠?qū)⒃赬Y坐標系中的任何XY坐標處安裝于所述工作臺上的元件沿X軸和Y軸定位，所述工作臺通常包括安裝于Y工作臺的X工作臺。所述X工作臺連接于受控馬達，該馬達可沿X軸移動所述工作臺并且將所述工作臺定位在希望的X坐標處，而所述Y工作臺連接于受控馬達，該馬達可沿Y軸移動所述Y工作臺。為了將所述元件定位在給定的XY坐標處，控制X和Y馬達，從而分別沿X軸和Y軸移動X和Y工作臺，并且將所述元件定位在所希望的XY坐標處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明某些實施例的一個方面涉及提供一種經(jīng)過改進的方法，該方法將壓電馬達連接到可移動主體，從而使得所述馬達受到控制以有選擇地沿運動的不同軸線移動所述主體。
本發(fā)明某些實施例的某一方面涉及經(jīng)由連接于相同可移動主體的多個壓電馬達的傳輸運動，從而使得每個馬達獨立于其它馬達有選擇地將運動傳輸給所述主體。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用在現(xiàn)有技術(shù)中公知的方法和裝置，通過將以下被稱為“連接區(qū)域”的每一馬達的區(qū)域按壓到以下被稱為“接觸表面”的可移動主體的表面區(qū)域，多個壓電馬達被連接到可移動主體。每個馬達受到控制從而激勵在其連接區(qū)域中的振動，所述振動有選擇地基本上垂直于和/或基本上平行于可移動主體的接觸表面。當給定的馬達沒有被激勵從而振動時，其連接區(qū)域持續(xù)地壓在可移動主體的接觸表面上并且所述主體接觸表面和馬達連接區(qū)域之間的摩擦力相對較大?？蛇x地，壓電馬達的連接區(qū)域是使用在現(xiàn)有技術(shù)中公知的方法和材料安裝于馬達表面的耐磨“摩擦塊(frictionnub)”，出于方便，下面壓電馬達的連接區(qū)域被假設為摩擦塊。
為了控制所述馬達從而使多個馬達中的至少一個給定的馬達將運動傳輸給可移動主體，控制所述至少一個馬達，從而使得其摩擦塊的運動施加基本上平行于所述主體的接觸表面的力。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，控制其它馬達從而在它們各自摩擦塊中產(chǎn)生振動，所述振動基本上垂直于所述接觸表面。在下文中，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例受到操控從而將運動傳輸給可移動主體的馬達被稱為“工作”馬達，而受到控制從而僅執(zhí)行基本上垂直振動的馬達被稱為非工作馬達。
通常，工作馬達受到控制從而同時在其摩擦塊中產(chǎn)生基本上垂直于接觸表面的振動和基本上平行于接觸表面的振動。垂直和平行振動的振幅，頻率和相對相位通常會在摩擦塊中產(chǎn)生橢圓或圓形振動。工作馬達摩擦塊中的垂直振動反復地使馬達的摩擦塊與可移動主體的接觸表面分開以及使它們恢復摩擦接觸。在每個垂直振動循環(huán)的接觸期間過程中，工作馬達被連接到可移動主體，并且由于平行振動產(chǎn)生的馬達摩擦塊的運動將運動傳輸出所述主體。根據(jù)垂直和平行振動之間的相位關(guān)系，在接觸期間過程中，摩擦塊在平行于所述平行振動的一個或其它方向上將運動傳輸?shù)剿鲋黧w。
在本發(fā)明的某些實施例中，工作馬達受控以脈沖模式工作以施加平行于可移動主體的接觸表面的力。在脈沖模式中，非對稱電壓脈沖被施加到包括在壓電馬達中的電極，從而將運動傳輸?shù)剿鲋黧w。美國專利5,453,653公開了壓電馬達運行的脈沖模式，其內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
在本發(fā)明的某些實施例中，工作馬達受到控制以DC模式運行，在這種模式下，所述馬達受到控制從而產(chǎn)生彎曲運動，該運動施加基本上僅平行于可移動主體的接觸表面的力。在DC模式中，控制器以DC電壓對至少一個包括在馬達中的電極通電，從而導致彎曲運動并且將可移動主體從第一位置位移到第二位置。只要希望將所述主體保持在第二位置，那么所述DC電壓就會被維持在至少一個電極處。運行的DC模式被公開在美國專利申請10/206717中，其內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
為了簡化說明，以下假設工作馬達在某一模式下運行，在該模式中在馬達的摩擦塊中同時產(chǎn)生垂直和平行振動。
非工作馬達的摩擦塊中的垂直振動導致在每個垂直振動循環(huán)過程中它們相應的摩擦塊與所述主體分開相對短的時間周期?？蛇x地，在每個垂直振動循環(huán)過程中，非工作馬達的垂直振動的振幅受到控制，從而控制和最小化非工作馬達接觸所述主體的時間長度。結(jié)果，與所述主體運動相反的非工作馬達的摩擦塊和可移動主體之間的摩擦力被相當大減少并且給定的至少一個工作馬達以受到非工作馬達干涉最小的方式將運動傳輸給所述主體。
在本發(fā)明的某些實施例中，非工作馬達和工作馬達中的垂直振動是同步的，從而使得當工作馬達的摩擦塊接觸所述主體的表面時，非工作馬達的摩擦塊不會接觸所述主體。對于這種實施例來說，基本上工作馬達將運動傳輸?shù)娇梢苿又黧w，好象其它的非工作馬達沒有連接到所述主體一樣。
在本發(fā)明的某些實施例中，工作馬達在可移動主體上產(chǎn)生力，該力具有自可移動主體質(zhì)心偏移的作用線，并且產(chǎn)生趨于繞所述主體質(zhì)心旋轉(zhuǎn)所述主體的力矩。在本發(fā)明的某些實施例中，多個馬達中的至少兩個是工作馬達并且受到控制從而產(chǎn)生力矩以繞所希望的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所述主體。
在本發(fā)明的某些實施例中，多個馬達中的一個馬達，“錨定馬達”受到控制，從而使得其摩擦塊在可移動主體的接觸表面的“錨定區(qū)域”處處于恒定接觸。多個馬達中的至少一個是可工作馬達，而其它馬達受到控制而不工作(即，使得它們的摩擦塊僅執(zhí)行基本上垂直的振動)。至少一個工作馬達產(chǎn)生環(huán)繞所述錨定區(qū)域的力矩，其使所述可移動主體環(huán)繞所述錨定區(qū)域旋轉(zhuǎn)。
因此提供一種移動主體的方法，包括通過將每個馬達的連接區(qū)域按壓于所述主體的表面，將多個壓電馬達連接于所述主體；控制至少其中一個馬達，從而施加平行于所述表面的力，來移動所述主體；并且同時控制至少其中一個馬達，從而使得其連接區(qū)域僅執(zhí)行基本上垂直于所述表面的振動。
可選地，控制馬達從而施加平行于所述表面的力包括對所述馬達進行控制從而使得馬達的連接區(qū)域以平行于所述表面的振動分量而振動。可選地，所述方法包括對所述馬達進行控制，從而使得連接區(qū)域以垂直于所述主體的表面的振動分量同時振動。
在本發(fā)明的某些實施例中，每個馬達包括被通電以控制其工作的電極。
在本發(fā)明的某些實施例中，控制馬達從而施加平行于所述表面的力包括以脈沖電壓對至少其中一個電極通電。
附加地或可替代地，控制馬達從而施加平行于所述表面的力包括以DC電壓對至少其中一個電極通電。
在本發(fā)明的某些實施例中，所述方法包括將可移動主體安裝到支撐結(jié)構(gòu)上，該支撐結(jié)構(gòu)將可移動主體限制成有選擇地沿第一方向或第二方向其中之一移動?？蛇x地，連接多個馬達包括連接至少某些馬達，從而使得它們受到控制，從而將力沿第一方向施加到所述表面，以及連接某些馬達，從而使得它們受到控制，從而將力沿第二方向施加到所述主體。
在本發(fā)明的某些實施例中，所述方法包括將所述主體安裝于支撐結(jié)構(gòu)上，該支撐結(jié)構(gòu)使得所述主體可以自由地沿平行于相同平面的任何方向移動。可選地，連接多個馬達包括連接第一對馬達和第二對馬達，第一對馬達受控從而將力沿平行于所述平面的第一方向施加到所述表面，第二對馬達受控從而將力沿平行于所述平面的第二方向施加到所述表面?？蛇x地，所述方法包括控制第一對或第二對馬達，從而將力施加到所述表面，該表面分別在第一或第二方向上移動所述主體，并且對所述馬達進行控制，從而使得從所述力產(chǎn)生的凈力矩基本上等于零?？蛇x地，所述方法包括控制所述馬達中的第一個，從而使得其接觸區(qū)域與所述主體的表面的特定區(qū)域恒定接觸，從而平行于所述表面施加力的至少一個馬達產(chǎn)生繞所述特定區(qū)域旋轉(zhuǎn)主體的力矩。附加地或替代地，所述方法包括控制所述成對馬達中的馬達以產(chǎn)生力矩，該力矩沿穿過兩個馬達接觸區(qū)域的線繞某一點旋轉(zhuǎn)所述主體。
在本發(fā)明的某些實施例中，在所述主體的第一位置，多個馬達包括至少一個沒被包括在主體第二位置處的多個馬達中的馬達?？蛇x地，所述方法包括在第一位置控制至少一個沒被包括在第二位置處的多個馬達中的馬達，從而平行于所述表面施加力。
根據(jù)本發(fā)明還提供一種用于包括移動主體的裝置，其包括多個壓電馬達；以及控制器，其控制至少其中一個馬達從而平行于所述表面施加力以移動主體，以及同時控制至少其中一個馬達從而僅執(zhí)行基本上垂直于所述表面的振動。
可選地，所述主體的表面是平面?？蛇x地，所述裝置包括連接于所述主體的第一支撐結(jié)構(gòu)，其可使所述主體能夠僅沿平行于所述平面的第一方向自由地移動；以及連接于第一支撐結(jié)構(gòu)的第二支撐結(jié)構(gòu)，其允許第一結(jié)構(gòu)僅沿平行于所述平面的第二方向自由地移動；其中至少一個馬達受到控制從而沿第一方向平行于所述表面施加力，至少一個馬達受到控制從而沿第二方向平行于所述表面施加力。可選地，所述裝置包括多個承載件，平坦表面處于其上，該承載件可使所述表面在平行所述表面的任何方向上自由地移動。
可選地，多個馬達包括至少一組四個馬達，該組馬達包括第一對馬達，其受到控制從而沿第一方向?qū)⒘κ┘拥剿霰砻?，以及第二對馬達，其受到控制從而沿第二方向?qū)⒘κ┘拥剿霰砻?。可選地，為了沿第一或第二方向移動所述主體，所述控制器分別控制第一對或第二對馬達，從而使得由馬達施加到所述表面上的所述力產(chǎn)生的凈力矩基本上等于零?？刂破骺蛇x地控制至少一個馬達，從而使得其接觸區(qū)域恒定地接觸所述表面的特定區(qū)域，并且其中由至少一個馬達平行于所述表面施加的力繞所述特定區(qū)域旋轉(zhuǎn)所述表面。
在本發(fā)明的某些實施例中，控制器控制第一對馬達或第二對馬達，從而產(chǎn)生力矩，該力矩趨于沿穿過馬達連接區(qū)域的線繞某一點旋轉(zhuǎn)所述表面。
在本發(fā)明的某些實施例中，所述表面是具有旋轉(zhuǎn)軸線的圓柱形表面?？蛇x地，至少一個馬達受到控制以平行于所述表面施加力，該力趨于繞所述圓柱形表面的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)所述圓柱形表面，以及至少一個馬達受到控制以平行于所述表面施加力，該力趨于沿所述旋轉(zhuǎn)軸線平移所述表面。
可選地，所述表面是具有中心的球形表面?？蛇x地，至少一個馬達受到控制以平行于所述表面施加力，該力趨于繞穿過所述中心的第一軸線旋轉(zhuǎn)所述表面，以及至少一個馬達受到控制以平行于所述表面施加力，該力趨于繞穿過所述中心的第二軸線旋轉(zhuǎn)所述表面。
在本發(fā)明的某些實施例中，在所述主體的第一位置，多個馬達包括至少一個沒被包括在主體第二位置處的多個馬達中的馬達?？蛇x地，在第一位置，所述控制器控制至少一個沒被包括在第二位置處的多個馬達中的馬達，從而平行于所述表面施加力。


本發(fā)明實施例的非受限的示例通過參考結(jié)合于此的附圖示出在下面，這些附圖在下段中列出。在附圖中，出現(xiàn)在多于一個附圖中的相同結(jié)構(gòu)、元件或部件通常在它們所出現(xiàn)的附圖中具有相同的附圖標記。出于表面清楚和方便選擇示出在附圖中的部件和特征的尺寸，并且無需依比例示出。
圖1根據(jù)本發(fā)明的實施例示意性地示出一種將多個壓電馬達連接到可移動主體的方法，還示出操作所述馬達從而沿兩個可選擇的軸線中的每一個向所述主體提供線性運動；圖2根據(jù)本發(fā)明的實施例示意性地示出另一種將多個壓電馬達連接到可移動主體從而沿兩個可選擇的軸線中的每一個向所述主體提供線性運動的方法；圖3根據(jù)本發(fā)明的實施例示意性地示出一種將多個壓電馬達連接到可移動主體的方法，其中不是多個壓電馬達中的全部馬達在所有時間都連接到所述主體；圖4A-4D根據(jù)本發(fā)明的實施例示出圖3所示主體和馬達的剖視圖，并且示出連接到所述主體的多個馬達中的特定馬達如何在主體移動時進行改變；圖5根據(jù)本發(fā)明的實施例示意性地示出連接到圓柱體的多個壓電馬達；圖6根據(jù)本發(fā)明的實施例示意性地示出連接到球形體的多個壓電馬達。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的實施例，圖1示意性地示出一種結(jié)構(gòu)20，其用于將多個壓電馬達連接到可移動主體，并且示出操作所述馬達從而沿兩個可選擇軸線中的每一個向所述主體提供線性運動。與所述討論相關(guān)聯(lián)的各個特征的位置和方向以坐標系統(tǒng)21作為參照。
作為舉例，可移動主體是安裝于一對X滑動件24的板22，以下稱為“移動板”，X滑動件24依次安裝于一對Y滑動件26。使用現(xiàn)有技術(shù)中各種方法和裝置將移動板22安裝于X滑動件24，從而使得所述板由滑動件支撐并且可以沿X方向相對于滑動件相對容易地前后移動。使用現(xiàn)有技術(shù)中各種可行的方法將X滑動件24安裝于Y滑動件26。移動板22以虛線示出，從而示出通過所述板看到的位于移動板22下面的部件，這通常在圖1的透視圖中是被隱藏起來的。
多個壓電馬達可選地包括兩個馬達31和32，它們連接到移動板22的底部表面34。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，馬達31和32分別是X“”和“Y”馬達，操作這些馬達從而分別沿X和Y軸移動移動板22。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，任何可以被控制從而有選擇地執(zhí)行垂直和/或平行振動的具有連接區(qū)域(即摩擦塊)的壓電馬達可以用在本發(fā)明的實踐中。但是，為了說明方便，X馬達31和Y馬達32被假設成與歐洲公開EP0755054中所公開的馬達類似，其內(nèi)容通過引用結(jié)合于此，或者與上面所引用的美國專利5453653中所公開的馬達類似。
每個馬達31和32可選地包括由具有兩個相對較大平面表面42的適當壓電材料形成的薄矩形板40。壓電板40分別具有長的側(cè)邊緣表面44和短的頂部和底部邊緣表面47?？蛇x地，摩擦塊48位于頂部邊緣表面46上。摩擦塊48優(yōu)選地由諸如鋁的耐磨材料形成。適當?shù)膹椥栽?未示出)，諸如線圈、板簧或由彈性材料形成的主體，壓在每個馬達31和32的底部表面47上，從而彈性地促使馬達的摩擦塊抵靠移動板22的底部、接觸表面23，從而將馬達連接于所述底部表面。
可選地，每個馬達31和32的其中一個平面表面42具有四個“象限電極”50，每個基本上覆蓋所述平面表面的不同象限的所有區(qū)域。每個馬達的其它平面表面42具有相對較大的電極，這些電極基本上覆蓋所述平面表面的整個區(qū)域?？刂破?2連接到每個馬達31和32的象限電極50，并且相對于較大電極通電所述象限電極以激勵壓電板40中的振動，并因此激勵摩擦塊48中的振動。
利用現(xiàn)有技術(shù)中各種公知的方法，控制器52以適當?shù)牟季纸o電極通電，以在摩擦塊48中激勵振動，該振動選擇性地垂直于和/或平行于移動板40的底部表面23。要指出的是，在參照壓電板40時，垂直和平行振動傳統(tǒng)上稱為縱向和橫向振動。縱向振動平行于壓電板的長尺寸，而橫向振動平行于壓電板的大表面的短尺寸。
例如，為了在摩擦塊48中激勵振動，控制器52可選地相對于較大電極以相同的AC電壓對所有象限電極50通電。為了激勵垂直和水平振動，以及因此產(chǎn)生的橢圓振動，在摩擦塊48中，控制器52可選地沿相同的對角線以相同的AC電壓對象限電極50通電，沿不同的對角線以180度相差的AC電壓對象限電極通電。替代地，沿相同第一長邊緣表面44的象限電極50可以相同的AC電壓被通電，而沿第二長邊緣表面44的象限電極50浮置，從而激勵摩擦塊48中的橢圓振動。X或Y馬達31或32中的橢圓振動處于馬達的壓電板40的平面中。
可以通過以相同的AC電壓沿相同短邊緣表面46或47對象限電極50通電并浮置其它象限電極來激勵摩擦塊中的垂直振動?？蛇x地，可以通過以相對于較大電極相同的電壓對所有象限電極50通電激勵垂直振動。
對類似于馬達31和32的電極布局通電以在摩擦塊48中產(chǎn)生垂直和/或平行振動的方法被公開在諸如上面所引用的PCT公開WO00/74153和美國專利5453653中。適于本發(fā)明實踐的激勵垂直和/或平行振動的具有與圖1所示不同結(jié)構(gòu)的壓電馬達的示例也在上面所引用的PCT公開WO00/74153和其它參考文件中公開了。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，例如，為了在正Y軸方向上，移動移動板22，控制器52通電X馬達31的象限電極50從而激勵X馬達中的垂直振動以及Y馬達中的順時針(從控制器52位置上看)橢圓振動。X馬達31中的垂直振動在馬達摩擦塊48中產(chǎn)生相應的垂直振動，這些振動由雙頭粗箭頭線51代表。Y馬達32中的順時針橢圓振動在Y馬達摩擦塊48中產(chǎn)生相應的順時針橢圓振動，這些振動由橢圓53代表。
對每一振動循環(huán)的至少一部分來說，X馬達31中的垂直振動51基本上使馬達從移動板22解耦。Y馬達32中的橢圓振動53在正Y方向上將運動傳輸?shù)揭苿影?2。因為X馬達31基本上與移動板22解耦，所以X馬達的摩擦塊48和板22之間的、與板22運動相反的摩擦力被顯著地減少。結(jié)果，Y馬達32沿Y方向以很小或者基本沒有與X馬達31發(fā)生干涉地對所述板的運動進行控制。
在本發(fā)明的某些實施例中，X馬達31中垂直振動與Y馬達32中的橢圓振動同步，從而使得它們有180度的相差。結(jié)果，當Y馬達32的摩擦塊48接觸移動板22的底部表面23時，X馬達31的摩擦塊48不與板22接觸并且由Y馬達32施加到底部表面的力作用在板22上，好象X馬達不存在一樣。X和Y馬達31和32的異相操作基本上將效率最大化，Y馬達以該效率將運動傳輸?shù)桨?2。當然，當X馬達31的摩擦塊48沒有接觸移動板22的底部表面23時，所述摩擦塊將相對較小的摩擦力施加到板22，該摩擦力與板22的運動相反。調(diào)節(jié)由Y馬達32施加到板上的力易于補償因該較小的摩擦力導致的移動板22的動能損失。
為了沿X方向移動移動板22，例如沿負X軸方向，X馬達31和Y馬達32的角色被互換。X馬達31成為工作馬達而控制器52對X馬達的象限電極50通電從而激勵馬達中逆時針橢圓振動。Y馬達32成為非工作馬達，而控制器52對Y馬達的象限電極50通電從而激勵Y馬達中的垂直振動。
圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的連接于可移動元件的壓電馬達的另一結(jié)構(gòu)60。作為示例，所述可移動元件是移動板22。移動板22設置在支撐板62上，所述支撐板62包括多個滾珠承載件64，移動板擱置在其上。因為擱置在承載件64上，移動板22可以沿平行于支撐板62的表面的任何方向自由地移動。
作為示例，根據(jù)本發(fā)明的實施例，在結(jié)構(gòu)上類似于圖1中所示馬達31和32的四個壓電馬達71，72，73和74控制移動板22的移動和位置。所述馬達可選地以現(xiàn)有技術(shù)中公知的各種方法安裝在位于支撐板62下面的支撐結(jié)構(gòu)(未示出)上，從而使得它們突出穿過附圖標記64所指代的位于支撐板中的孔，并且被彈性地推動以壓在移動板22的底部表面23上。馬達71和73是X馬達，馬達72和74是Y馬達。所述馬達由控制器52控制?？蛇x地，每個X馬達71和73與Y馬達72和74等距離，并且每個Y馬達與X馬達等距離。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，馬達71，72，73和74受到控制從而有選擇地沿X或Y方向移動所述移動板22和/或旋轉(zhuǎn)所述移動板22。例如，為了沿負X方向平行于X軸移動所述移動板22，控制器52可選地激勵Y馬達72和74從而執(zhí)行垂直振動，該振動使Y馬達與移動板22解耦，這由雙頭箭頭76示意性地示出。控制器52激勵X馬達71和73從而有選擇地執(zhí)行逆時針橢圓振動，并且在負X方向上向移動板22施加力，該振動由橢圓75和77示意性地示出。
需要注意的是，對于圖2所示本發(fā)明示意性實施例和類似結(jié)構(gòu)來說，為了平行于X軸移動所述移動板22，通常，必須激勵至少兩個壓電馬達X以沿X方向施加力。如果僅有單個X馬達被激勵從而向移動板22施加力的話，除非力的作用線與垂直于移動板的線相交，那么所述力會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)移動板的力矩，所述垂直于移動板的線穿過移動板的質(zhì)量與任何加載于其上的負載的整合質(zhì)量的質(zhì)心。為了防止這種旋轉(zhuǎn)以及平行于X軸移動板22與其負載，根據(jù)本發(fā)明的實施例，操作至少兩個壓電馬達從而將力沿X軸施加到所述板。平衡由至少兩個馬達施加的力，從而使得所述板與其上的負載上的凈力矩等于零。
為了平衡所述力，可選地，使用現(xiàn)有技術(shù)中公知的至少一個適合的位置檢測器和/或至少一個加速度檢測器對移動板22的位置和/或加速度進行檢測。如果在移動板22中有一個不希望的旋轉(zhuǎn)和/或作用在移動板上的凈力矩的話，控制器52接收來自于至少一個位置檢測器和/或至少一個加速度檢測器的輸入信號。響應于所確定的旋轉(zhuǎn)和/或力矩，為平衡由馬達施加到移動板22上的力，控制器控制至少兩個壓電馬達，例如，作為示例示出在圖2中的X馬達71和73，從而使得移動板平行于X軸移動。
平行于Y軸的運動通過互換X馬達71和73與Y馬達72和74的角色來提供?？刂破?2控制X馬達71和73以執(zhí)行垂直振動以及控制Y馬達72和74以執(zhí)行橢圓振動，所述Y馬達受到控制使得Y馬達施加到板22的凈力矩基本上等于零。移動板22沿XY平面中不平行于X或Y軸的一條線的線性運動可以通過可選地對X馬達和Y馬達進行控制，從而將運動傳輸?shù)剿霭宥淮笾聦崿F(xiàn)(approximated)。
正如可以從上述討論中推斷出來的那樣，以圖2所示類似的布局，根據(jù)本發(fā)明實施例，連接到可移動主體的壓電馬達受到控制，從而不僅向主體提供線性運動，而且還提供旋轉(zhuǎn)運動。例如，根據(jù)本發(fā)明實施例，移動板22可受到控制從而繞移動板和壓電馬達71，72，73和74中任何一個的摩擦塊48之間的接觸點旋轉(zhuǎn)。
假設希望圍繞X馬達71的摩擦塊48與移動板接觸的點順時針旋轉(zhuǎn)移動板22(從移動板之上的Z軸的一點看)。然后控制器52控制X馬達71不振動從而維持與移動板22的恒定接觸，并且可選地，控制X馬達73以執(zhí)行順時針橢圓振動，同時Y馬達72和74執(zhí)行垂直振動。X馬達71的摩擦塊48和接觸板之間的摩擦接觸防止了移動板22相對于摩擦塊和移動板之間的接觸點的平移，而Y馬達72和74的垂直振動使Y馬達與移動板解耦。X馬達73的橢圓振動施加產(chǎn)生力矩的力，該力矩使移動板繞所述接觸點旋轉(zhuǎn)。
當然通過控制X馬達73和其中一個Y馬達72和74執(zhí)行垂直振動，有可能繞接觸點旋轉(zhuǎn)移動板22，從而。Y馬達72和74中的另一個受到控制以執(zhí)行順時針橢圓振動從而產(chǎn)生順時針旋轉(zhuǎn)移動板22的力矩。但是，對于如圖2所示的結(jié)構(gòu)來說，利用Y馬達產(chǎn)生力矩，繞壓電馬達71的摩擦塊48和所述板之間的接觸點旋轉(zhuǎn)移動板22通常要比利用X馬達72產(chǎn)生力矩的效率低。對于給定的力來說，Y馬達72或74作用在比X馬達73短的力臂上。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還可能的是控制馬達71，72，73和74以圍繞其中一個馬達的摩擦塊48和所述板之間接觸點以外的點旋轉(zhuǎn)移動板22。例如，通過控制X馬達從而將適當?shù)牧κ┘拥揭苿影宓牡撞勘砻?2，可以基本上圍繞穿過移動板和X馬達71和73的摩擦塊48的接觸點的線上的任何點旋轉(zhuǎn)移動板22。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，圖3示意性示出用于將多個壓電馬達連接到移動板22的結(jié)構(gòu)80。
與圖2中所示結(jié)構(gòu)類似，在結(jié)構(gòu)80中，移動板22被安裝在具有輥子軸承64的支撐板62上，在輥子軸承上停置著移動板22。但是，不同于圖3中的結(jié)構(gòu)80，其中四個壓電馬達71，72，73和74被用于控制移動板22的運動，在結(jié)構(gòu)80中，多于四個的多個壓電馬達被用于控制移動板的運動。對于給定尺寸的移動板22來說，示出在圖3中的多個馬達為移動板提供了比結(jié)構(gòu)80所提供的位置范圍更大的位置范圍。
多個馬達包括多個X馬達81和多個Y馬達82。所述馬達被布置成使得基本上對于支撐板62上的移動板22的任何位置來說，至少兩個X馬達81和至少兩個Y馬達82接觸移動板的底部表面并且受到控制從而將運動傳輸?shù)揭苿影濉？蛇x地，X馬達81和Y馬達82成四個一組從而使得每一組包括兩個X馬達和兩個Y馬達。在相同的四個一組中的X馬達和Y馬達突出穿過支撐板62中的相同孔84?？蛇x地，在相同的四個一組中的馬達相對于彼此定位，類似于如圖2中所示的結(jié)構(gòu)60中的X馬達71和73以及Y馬達72和74定位方式。
為了移動移動板22，X馬達81和Y馬達82由控制器52控制來移動移動板22，這種控制方式類似于如圖2中所示的X馬達71和73以及Y馬達72和74受到控制的方式。但是，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，X馬達81和Y馬達82受到控制從而在相當大于由示出在圖2中的結(jié)構(gòu)80所提供范圍的X距離范圍和Y距離范圍上移動移動板22。為了在大于單對X馬達81可以移動所述板的距離的X距離上移動所述移動板，X馬達81是可控制的，從而由一對X馬達81到下一對X馬達“傳遞”移動板22。類似地，為了在大于單對Y馬達82可以移動所述板的距離的Y距離上移動所述移動板，Y馬達82是可控制的，從而由一對Y馬達到下一對Y馬達“傳遞”移動板22。
例如，考慮第一對X馬達81，其不是在正X方向上位于離坐標系21的原點最遠處的那對X馬達。在第一對X馬達81沿正X方向?qū)⒁苿影?2移動到超過該對馬達無法在正X方向移動所述板的那一點之前，所述板22變成定位在第二對X馬達81上。該第二對X馬達81或Y馬達82受到控制從而連續(xù)在正X方向上移動所述板。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，為了便于移動板22從第一對X馬達81或Y馬達82到第二對X馬達81或Y馬達82平穩(wěn)傳輸，移動板22的底部表面23沿其邊緣形成斜面。另外，朝向底部表面23推動壓電X馬達81或Y馬達82的彈性元件的運動被限制成當所述馬達未處于移動板22下面時，其摩擦塊48不會突出在底部表面23的斜面邊緣之上。結(jié)果，隨著移動板22接近并且在X或Y壓電馬達上移動，馬達的摩擦塊48逐漸地并且平滑地與所述底部表面接觸。
圖4A-4D示出由圖3(在圖中，為了便于表達，未示出支撐板62)所示結(jié)構(gòu)的AA線所指示的某一平面的示意性剖視圖。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述剖視圖示出移動板22從第一對X馬達81在X方向上移動所述板的位置移動到第二對X馬達81在X方向上移動所述板的位置。空心箭頭(blockarrow)90示出移動板22的方向。圖4A-4D僅示出與所述討論的有密切關(guān)系的特征。示出在圖3中的支撐板62未示出在圖4A-4D中，附圖中僅示出了第一對X馬達81的一個X壓電馬達91和第二對X馬達81的一個壓電馬達92。底部表面23沿其邊緣形成斜面，從而使得所述底部表面包括平行于坐標系21的X-Y平面的相對較大的水平表面102和沿邊緣100的斜面104。為了空間參照上的便利，示出在圖3中的坐標系21的X和Z軸示出在圖4A-4D中。
每個馬達91和92安裝在具有彈性元件111和112的適當?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)106，所述彈性元件分別在正Z方向上朝向移動板22的底部表面23向上驅(qū)動馬達。使用現(xiàn)有技術(shù)中的公知方法和裝置，彈性元件111和112的延伸程度在Z方向上受到限制，從而使得如果馬達91或92沒有位于移動板22下面的話，馬達的摩擦塊48不會突出到移動板的邊緣100之上(在Z方向上)。
在圖4A中，X馬達91位于移動22下面，并且其摩擦塊48由彈性元件111被彈性地按壓于水平表面102。所述摩擦塊執(zhí)行由橢圓114所代表的順時針橢圓振動，從而朝向X馬達92在X方向上移動移動板22。X馬達92正好位于移動板22的邊緣100的下面，但是因為彈性元件112的運動在正Z方向被限制，所以馬達的摩擦塊48不會突出超過所述邊緣。優(yōu)選地，如圖4A所示，當彈性元件112處在其延伸極限時，摩擦塊48位于稍稍低于邊緣100的某一Z坐標處。
在圖4B中，X馬達91已經(jīng)朝向X馬達92將移動板22移動到馬達92的摩擦塊48第一次接觸斜面表面104的位置。在X馬達92接觸斜面104之前，或剛好接觸斜面時，控制器52(圖3)可選地控制X馬達92從而執(zhí)行由雙頭箭頭116所代表的垂直振動，以減少摩擦塊和所述斜面的表面之間的摩擦。
在圖4C中，X馬達91已經(jīng)將移動板22移動到X馬達91和X馬達92的摩擦塊48都接觸移動板的水平表面102的位置處?？刂破?2具有對移動板22從X馬達91到X馬達92移動的“傳輸控制”。所述控制器控制X馬達92從而執(zhí)行順時針橢圓運動118以繼續(xù)在X方向上移動移動板，并且控制X馬達91從而執(zhí)行垂直振動120以減少馬達摩擦塊48和水平表面102之間的摩擦。
在圖4D中，已經(jīng)在X方向上由馬達92移動移動板22，而X馬達91不再接觸移動板。彈性元件106延伸到其最大長度，摩擦塊48位于大于水平表面102但是小于移動板22的邊緣100的某一Z坐標處。
盡管在本發(fā)明示例性實施例的上述描述中，由多個壓電馬達移動的主體是平面主體，但是本發(fā)明的實踐不受限于移動平面主體。例如，根據(jù)本發(fā)明實施例的連接到多個壓電馬達的主體可以是圓柱形或圓形。
圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的結(jié)構(gòu)130，該結(jié)構(gòu)可選地包括連接到圓柱形主體134的兩個壓電馬達131和132。當馬達131工作而馬達132不工作時，馬達131使圓柱體134繞其軸線136旋轉(zhuǎn)。在另一個方面，當馬達131不工作而馬達132工作時，馬達132沿軸136平移圓柱體134。
圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的結(jié)構(gòu)140，該可選地包括連接到球形主體144的兩個壓電馬達141和142。當馬達141工作而馬達142不工作時，馬達141使球體144繞其軸線147旋轉(zhuǎn)。在另一個方面，當馬達141不工作而馬達142工作時，馬達142沿軸148旋轉(zhuǎn)所述球體。
在本申請的說明書和權(quán)利要求書中，每個動詞，“包括(comprise)”，“包括(include)”和具有“(have)”及其變型被用來指明所述動詞的對象無需是所述動詞的所述對象的元件、部件、零件或部分的一個完整清單。
利用本發(fā)明實施例的詳細說明已經(jīng)對本發(fā)明進行了描述，本發(fā)明實施例的詳細說明是通過示例方式提供的，并且不意在限制本發(fā)明的范圍。所描述的實施例包括不同的特征，并且不是所有的特征都是本發(fā)明實施例所需要的。本發(fā)明的某些實施例僅利用某些特征或者可能的話利用這些的組合。本領域技術(shù)人員會想到所述本發(fā)明實施例的各種變化以及包括記錄在所述實施例中的各個特征的不同組合的本發(fā)明的各個實施例。本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求
1.一種移動主體的方法包括通過將每個馬達的連接區(qū)域按壓到主體的表面將多個壓電馬達連接到所述主體；控制至少其中一個馬達從而平行于所述表面施加力以移動所述主體；以及同時控制至少其中一個馬達，從而使得其連接區(qū)域僅執(zhí)行基本上垂直于所述表面的振動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中控制馬達從而平行于所述表面施加力包括控制所述馬達，從而使得所述馬達的連接區(qū)域以平行于所述表面的振動分量振動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括控制所述馬達從而使得所述連接區(qū)域以垂直于所述主體的表面的振動分量同時振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一頂所述的方法，其中每個馬達包括被通電以控制其操作的電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一頂所述的方法，其中控制所述馬達從而平行于所述表面施加力包括對至少其中一個電極以脈沖電壓通電。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其中控制所述馬達從而平行于所述表面施加力包括對至少其中一個電極以DC電壓通電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一頂所述的方法，包括將可移動主體安裝到支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)對其進行限制從而沿第一方向或第二方向有選擇地移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中連接多個馬達包括連接至少某些馬達，從而使得它們受到控制以沿第一方向?qū)⒘κ┘拥剿霰砻?，以及連接至少某些馬達，從而使得它們受到控制以沿第二方向?qū)⒘κ┘拥剿鲋黧w。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一頂所述的方法，包括將所述主體安裝于支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)可使所述主體沿平行于相同平面的任何方向自由地移動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中連接多個馬達包括連接第一對馬達和第二對馬達，第一對馬達受到控制從而沿平行于所述平面的第一方向?qū)⒘κ┘拥剿霰砻?，第二對馬達受到控制從而沿平行于所述平面的第二方向?qū)⒘κ┘拥剿霰砻妗?br> 11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括控制第一對或第二對馬達以向所述表面施加力，從而分別沿第一或第二方向移動所述主體，以及控制所述馬達，從而使得由所述力產(chǎn)生的凈力矩基本上等于零。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括控制各馬達中的第一個馬達，從而使得其接觸區(qū)域與主體的表面的特定區(qū)域恒定接觸，從而使得平行于所述表面施加力的至少一個馬達產(chǎn)生力矩，該力矩使所述主體繞所述特定區(qū)域旋轉(zhuǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，包括控制一對馬達中的所述馬達從而產(chǎn)生使所述主體繞沿穿過兩個馬達接觸區(qū)域的線上的某一點旋轉(zhuǎn)的力矩。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的方法，其中在所述主體的第一位置處，所述多個馬達包括至少一個未被包括在處于主體第二位置處的多個馬達中的馬達。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括在第一位置處控制所述至少一個未被包括在第二位置處的多個馬達中的馬達，以平行于所述表面施加力。
16.一種移動主體的裝置包括多個壓電馬達；以及控制器，其控制至少其中一個馬達從而平行于所述表面施加力以移動所述主體，并且同時控制至少其中一個馬達從而僅執(zhí)行基本上垂直于所述表面的振動。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述主體的表面是平坦的。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，包括連接所述主體的第一支撐結(jié)構(gòu)，其可使所述主體僅沿平行于所述平坦表面的第一方向自由地移動；以及連接第一結(jié)構(gòu)的第二支撐結(jié)構(gòu)，其允許第一結(jié)構(gòu)僅沿平行于所述平坦表面的第二方向自由地移動；其中至少其中一個馬達受到控制以沿第一方向施加平行于所述表面的力，而至少其中一個馬達受到控制以沿第二方向施加平行于所述表面的力。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，包括其上擱置平坦表面的多個承載件，所述承載件可使所述表面在平行于所述表面的任何方向上自由地移動。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中多個馬達包括至少一組四個馬達，該組馬達包括第一對馬達，其受到控制從而沿第一方向?qū)⒘κ┘拥剿霰砻妫约暗诙︸R達，其受到控制從而沿第二方向?qū)⒘κ┘拥剿霰砻妗?br> 21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中為了沿第一或第二方向移動所述主體，所述控制器分別控制第一對或第二對馬達，從而使得從由馬達施加到所述表面上的所述力產(chǎn)生的凈力矩基本上等于零。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中控制器控制至少一個馬達，從而使得其接觸區(qū)域恒定地接觸所述表面的特定區(qū)域，并且其中由至少一個馬達平行于所述表面施加的力繞所述特定區(qū)域旋轉(zhuǎn)所述表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求19-22中任何一項所述的裝置，其中所述控制器控制第一對馬達或第二對馬達，從而產(chǎn)生力矩，該力矩趨于圍繞沿穿過馬達連接區(qū)域的線上的一點旋轉(zhuǎn)所述表面。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述表面具有旋轉(zhuǎn)軸線的圓柱形表面。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其中至少一個馬達受到控制以平行于所述表面施加力，該力趨于繞所述圓柱形表面的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)所述圓柱形表面，以及至少一個馬達受到控制以平行于所述表面施加力，該力趨于沿所述旋轉(zhuǎn)軸線平移所述表面。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述表面是具有中心的球形表面。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中至少一個馬達受到控制以平行于所述表面施加力，該力趨于繞穿過所述中心的第一軸線旋轉(zhuǎn)所述表面，以及至少一個馬達受到控制以平行于所述表面施加力，該力趨于繞穿過所述中心的第二軸線旋轉(zhuǎn)所述表面。
28.根據(jù)權(quán)利要求16-27中任何一項所述的裝置，其中在所述主體的第一位置，多個馬達包括至少一個沒有被包括在主體第二位置處的多個馬達中的馬達。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中在第一位置處，所述控制器控制所述至少一個沒有被包括在第二位置處的多個馬達中的馬達，從而平行于所述表面施加力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種移動主體(23)的方法包括通過將每個馬達的連接區(qū)域(48)按壓到所述主體的表面將多個壓電馬達(31，32)連接到所述主體；控制至少其中一個馬達從而平行于(53)所述表面施加力以移動所述主體；以及同時控制至少其中一個馬達，從而使得其連接區(qū)域僅執(zhí)行基本上垂直于(51)所述表面的振動。
文檔編號H01L41/09GK101040393SQ200480042759
公開日2007年9月19日 申請日期2004年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月25日
發(fā)明者澤埃夫·加諾, 莫?！さ氯R維, 尼爾·卡拉斯科夫 申請人:微動力有限公司