DE69324603T2 - Mikromotor - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG [Gebiet der Erfindung]
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikromotor, der als Antriebsmotor bei Präzisionsminiaturgeräten und dergleichen verwendet wird, und insbesondere einen Mikroschrittmotor, der durch das Weglassen von Erregerspulen miniaturisiert wird.
[Stand der Technik]
• Üblicherweise sind Antriebsmotoren für Präzisionsminiaturgeräte, beispielsweise Miniaturmotoren, die als Antriebsmotor für Quarzkristalluhren verwendet werden, auf die gleiche Art wie bei großen Motoren aus Erregerspulen konstruiert, die aus Kupferdrähten bestehen, die um einen Teil eines Stators gewickelt sind, so daß der Motor durch eine Antriebskraft gedreht wird, die erzeugt wird, indem an die Erregerspule ein Erregerstrom angelegt wird.
• So sind Erregerspulen für herkömmliche Mikromotoren erforderlich, um eine Antriebskraft zu erzeugen. In den Fällen, wo die Erregerspulen verwendet werden, ist für die Spulen eine beträchtliche Windungszahl erforderlich. Wenn der Durchmesser der Drähte für die Spulen auf 10 um oder weniger verringert ist, um die Motoren möglichst klein zu machen, haben die Spulen die Tendenz, leicht zu brechen, was es extrem schwierig macht, die Spulen um den Stator zu wickeln.
• Demgemäß ist es unvermeidbar, daß Erregerspulen dick und groß sind, und es ist sehr schwierig, Motoren insgesamt zu miniaturisieren.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Mikromotor bereitzustellen, der miniaturisiert wird, indem Erregerspulen weggelassen werden, deren Vorhandensein es verhindert, daß Motoren miniaturisiert werden können.
• Die JP-A-61177155 offenbart einen Motor, der einen Rotor aus magnetischem Material aufweist, der von Statoren angetrieben wird, die um den Rotor angeordnet sind. Die Statoren werden zwischen einem magnetisierten und einem entmagnetisierten Zustand umgeschaltet, indem Permanentmagneten durch elektrostriktive Aktuatoren hin und herbewegt werden, die Federn entgegenwirken.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung stellt einen Mikromotor bereit, wie in Anspruch 1 oder Anspruch 4 definiert.
• An eine Vielzahl von Aktuatoren wird nacheinander eine elektrische Spannung als Energiequelle angelegt, um die Abstände zwischen den entsprechenden Statoren und dem Rotationselement zu ändern, um die magnetische Anziehungskraft zu ändern. Diese Änderung der magnetischen Anziehungskraft bewirkt, daß sich das Rotationselement entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um seine Rotationsachse dreht.
• Beim Mikromotor gemäß vorliegender Erfindung, bei dem die Antriebskraft erzeugt wird, indem Spalten zwischen dem Rotationselement und den Statoren durch die Aktuatoren geändert werden, die durch eine Ladungsenergie bewegt oder verlagert werden können, besteht keine Notwendigkeit für eine große Erregerspule zum Anlegen eines Erregerstroms. Daher kann gemäß vorliegender Erfindung ein Mikromotor bereitgestellt werden, der noch kleiner als bestehende Motoren geringer Größe ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die Fig. 1 bis 6 sind Zeichnungen der Mikromotoren gemäß vorliegender Erfindung, wobei Fig. 1 eine Draufsicht des Mikromotors der ersten Ausführungsform mit dem Motor in Ruheposition ist; Fig. 2 eine Draufsicht des Mikromotors der ersten Ausführungsform zeigt, während der Motor um einen Schritt gedreht wird; Fig. 3 eine Schnittansicht des Mikromotors der zweiten Ausführungsform mit dem Motor in Ruheposition ist; Fig. 4 eine Draufsicht des Mikromotors der zweiten Ausführungsform mit dem Motor in Ruheposition ist; Fig. 5 eine Schnittansicht des Mikromotors der zweiten Ausführungsform zeigt, während der Motor um einen Schritt gedreht wird; und Fig. 6 eine Draufsicht des Mikromotors der zweiten Ausführungsform ist, während sich der Motor dreht.
BESTE ART DER DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
• Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend nur als Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
• In den Fig. 1 und 2 werden Draufsichten der ersten Ausführungsform des Mikromotors gezeigt, wobei Fig. 1 den Motor im Ruhezustand zeigt und Fig. 2 den Zustand zeigt, in dem der Motor um einen Schritt gedreht wird.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Rotationselement 1, das aus einem Permanentmagneten mit einem Paar magnetischer Pole besteht, die N-Pol und S-Pol sind, drehbar um eine Rotationsachse 15 vorgesehen. Statoren 2, 3, 4, 5, 6 und 7 sind so angeordnet, daß sie den Außenumfang von Rotationselement 1 umgeben. Weiters sind außerhalb dieser Statoren Aktuatoren 8, 9, 10, 11, 12 und 13, beispielsweise aus piezoelektrischen Elementen, vorgesehen, die jeweils den Statoren 2, 3, 4, 5, 6 bzw. 7 entsprechen. Ein Ende dieser Aktuatoren 8, 9, 10, 11, 12 und 13 ist an entsprechenden Statoren 2, 3, 4, 5, 6 bzw. 7 befestigt, und das andere Ende an einem Rahmen 14. Diese Aktuatoren 8, 9, 10, 11, 12 und 13 sind zur Richtung des Durchmessers hin polarisiert, wie durch Pfeile gezeigt. Obwohl in Fig. 1 nicht gezeigt, sind die Aktuatoren so konstruiert, daß sie sich durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Polen eines jeden Aktuators in Richtung auf den Durchmesser hin bewegen. Das Rotationselement 1 befindet sich auf stabile Weise in Ruhe an einer Position, wo das magnetostatische Potential im Magnetkreis, der aus dem Rotationselement 1 und den Statoren 2, 3, 4, 5, 6 und 7 besteht, ein Minimum aufweist. Angenommen, der N-Pol von Rotationselement 1 befindet sich an Spalt 16 zwischen den Statoren 6 und 7, und der S-Pol befindet sich an Spalt 17 zwischen den Statoren 3 und 4, wie in Fig. 1 gezeigt, so kehren die einen Magnetfeldlinien vom N-Pol von Rotationselement 1 über die Statoren 6, 5, 4 zum S-Pol zurück, und die anderen Magnetfeldlinien kehren über die Statoren 7, 2, 3 zum S-Pol zurück. In beiden Fällen sind zwei Zwischenspalte vorhanden und somit ihre Zahl minimiert. Demgemäß sind die magnetfeldabhängigen Widerstände und die magnetostatischen Potentiale minimiert.
• Wenn sich andererseits der N-Pol von Rotationselement 1 in der Mitte des Stators 7 befindet und der S-Pol in der Mittel von Stator 4, kehren die einen Magnetfeldlinien über die Statoren 2, 3, 4 zum S-Pol zurück. In beiden Fällen sind drei Zwischenspalte zwischen den Statoren vorhanden. Deswegen sind die magnetfeldabhängigen Widerstände und die magnetischen Potentiale groß, und das Rotationselement kann an diesem Punkt nicht stillstehen. Die stabilen Punkte fallen so mit der Position der Spalte zwischen den Statoren zusammen.
• Wie in Fig. 2 gezeigt, werden, wenn über eine in der Figur nicht gezeigte Elektrode eine Spannung an die Aktuatoren 9 und 12 angelegt wird, so daß diese Aktuatoren 9 und 12 in Richtung des Durchmessers zusammengezogen werden, die Statoren 3 und 6 entsprechend der Bewegung der Aktuatoren 9 bzw. 12 nach außen bewegt. Dadurch erweitert sich der Spalt zwischen dem N-Pol von Rotationselement 1 und dem Stator 6, sowie der Spalt zwischen dem S-Pol von Rotationselement 1 und dem Stator 3, so daß die magnetfeldabhängigen Widerstände zwischen diesen Spalten groß werden.
• Weil der magnetfeldabhängige Widerstand zwischen dem N-Pol von Rotationselement 1 und dem Stator 7 sowie der magnetfeldabhängige Widerstand zwischen dem S-Pol von Rotationselement 1 und dem Stator 4 gleich bleiben, wird ein Gradient des magnetostatischen Potentials erzeugt, so daß der magnetfeldabhängige Gesamtwiderstand verringert wird.
• Als Ergebnis dreht sich das Rotationselement 1 aufgrund der Rotationskraft um einen Schritt (60º) im Uhrzeigersinn und bleibt, wie in Fig. 2 gezeigt, stabil an einem Punkt von Spalt 18 zwischen den Statoren 7 und 8 bis zu Spalt 19 zwischen den Befestigungselementen 4 und 5, wo der magnetfeldabhängige Widerstand minimal ist. Die Spannung kann bis zu dem Zeitpunkt an die Aktuatoren angelegt werden, wo das Rotationselement stationär bleibt, oder sie kann für einen kürzeren Zeitraum angelegt werden.
• Das Anlegen von Spannung an die Aktuatoren 9 und 12 wird dann beendet, um die Statoren 3 und 6 in die ursprünglichen Positionen zurückzuführen, während eine Spannung an die Aktuatoren 10 und 13 angelegt wird, um die Statoren 4 und 7 nach außen zu bewegen, um das Rotationselement auf die gleiche Weise wie oben um einen Schritt von 60º zu drehen. Das Rotationselement wird so in sechs Schritten um eine Runde gedreht.
• Die Fig. 3 bis 6 sind Zeichnungen, die den Mikromotor der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, worin die Fig. 3 und 4 eine Schnittansicht bzw. eine Draufsicht sind, während sich der Motor in Ruheposition befindet; und die Fig. 5 und 6 eine Schnittansicht und eine Draufsicht sind, wenn der Motor um einen Schritt gedreht wird. Die zweite Ausführungsform wird nun unter Verweis auf die Fig. 3, 4, 5 und 6 dargestellt.
• Wie in Fig. 3 gezeigt, ist das Rotationselement 21, das aus einem Permanentmagneten mit zwei Paaren von Polen, insgesamt vier Polen, zwei N-Polen und zwei S-Polen, besteht, die zur Achse gerichtet sind, um eine Rotationsachse 40 drehbar angeordnet. Weiters sind oberhalb und unterhalb eines Rotationselements 21 sechs Statoren 22 (22a, 22b), 23 (23a, 23b), 24 (24a, 24b), 25 (25a, 25b), ... vorgesehen, die jeweils aus einem magnetischen Material bestehen. Weiters sind jeweils den Statoren 22, 23, 24, 25, ... entsprechende Aktuatoren 28 (28a, 28b), 29 (29a, 29b), 30 (30a, 30b), 31 (31a, 31b), ... vorgesehen, die beispielsweise aus piezoelektrischem Element bestehen. Eines der Enden dieser Aktuatoren 28, 29, 30, 31, ... ist jeweils an den Statoren 22, 23, 24, 25, ... befestigt, und das andere ist am Rahmen 14 befestigt.
• Fig. 4 ist eine Draufsicht im Schnitt entlang der Ebene A-A von Fig. 3.
• Auf die gleiche Weise wie bei der unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsform steht der N-Pol von Rotationselement 21, wie in Fig. 4 gezeigt, an Spalt 41 zwischen den Statoren als stationärer Punkt still, und der S- Pol steht an Spalt 42 als stationärer Punkt still. Hier entspricht eine Schnittansicht entlang Ebene B-B der in Fig. 3 gezeigten Schnittansicht.
• Wie in Fig. 5 gezeigt, werden, wenn eine Spannung angelegt wird, um die Aktuatoren 30a, 30b (33a, 33b), die den Statoren 24a, 24b entsprechen, und die Statoren, die axial asymmetrisch zu diesen Statoren sind (Statoren 27a, 27b, in Fig. 6 gezeigt), in axialer Richtung zusammenzuziehen, Spalte zwischen 24a, 24b, 27a, 27b und dem Rotationselement 21 erweitert, und es wird bewirkt, daß sich die magnetfeldabhängigen Widerstände ändern, wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform erörtert. Die so hervorgerufene Änderung im magnetostatischen Potential erzeugt eine Drehkraft, die das Rotationselement 21 um 60º dreht und bewirkt, daß es an den stationären Punkten 43, 44 stillsteht, wie in Fig. 6 gezeigt.
• Dann werden die Statoren 24a, 24b, 27a, 27b in die ursprünglichen Positionen zurückgeführt, während die Statoren 23a, 23b, 26a, 26b bewegt werden. So wird das Rotationselement 21 auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform in sechs Schritten um eine Runde bewegt.
• Obwohl in der obigen ersten und zweiten Ausführungsform Beispiele dargestellt werden, bei denen sechs oder zwölf Statoren verwendet werden, ist die Anzahl der Statoren nicht auf sechs oder zwölf beschränkt. Die Verwendung von mindestens zwei Statoren ist möglich, wenn der Zeitraum, für den die Spannung an die Aktuatoren angelegt ist, entsprechend gewählt wird. Auch sind die Statoren nicht auf jene mit zwei oder vier Polen beschränkt. Es kann jeder Stator mit mehr als einem einzigen Pol (N-Pol oder S-Pol) verwendet werden.
• Es ist möglich, die Ausgangsleistung der Motoren bei diesen Ausführungsformen zu ändern, indem Spalte zwischen dem Rotationselement und den Statoren durch die Änderung in der Spannung geändert wird, die an die Aktuatoren angelegt wird, die gemeinsam mit den Statoren bewegt oder verlagert werden.
• Als piezoelektrisches Material für die Aktuatoren in diesen Ausführungsformen können alle Materialien verwendet werden, die piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, wie piezoelektrische Keramik (Bariumtitanat, Bleizirkonat-Titanat, Multikomponenten- Lösungskeramik), Bariumtitanat-Monokristalle, Quarzkristalle, Rochelle-Salze und dergleichen.
• Weiters ist es möglich, die Kombination aus Statoren und Aktuatoren als monomorphen, unimorphen, bimorphen oder multimorphen Biegeverlagerungstyp oder als Linearverlagerungs-Laminationstyp herzustellen, um das Ausmaß an Verlagerung des Stators zu vergrößern und die Antriebsspannung zu verringern.
• Die Mikromotoren gemäß vorliegender Erfindung sind nicht notwendigerweise auf Schrittmotoren beschränkt. Es ist auch möglich, kontinuierliche Motoren herzustellen, indem die Spannung kontinuierlich angelegt wird. Insbesondere ist die Herstellung eines kontinuierlichen Motors mit niedrigem Stromverbrauch möglich, wenn von den Statoren und Aktuatoren eine Resonanzfrequenz verwendet wird.
• In den obigen Beschreibungen werden zwar Ausführungsformen veranschaulicht, bei denen ein piezoelektrisches Element als Aktuator verwendet wird, aber als Material für die Aktuatoren können alle Materialien verwendet werden, die durch Energieinput bewegt oder verlagert werden können, wie Legierungen mit Gedächtniseffekt.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
• Wie oben veranschaulicht, kann der Mikromotor gemäß vorliegender Erfindung als Antriebsmotor für Quarzkristalluhren, Roboter für medizinische und Gesundheits- Anwendungen, medizinische Mechatronik, Mikroroboter und dergleichen verwendet werden.

Claims (6)

1. Mikromotor, umfassend:

ein Rotationselement (1), das um seine Mittelachse (15) rotiert,

einen Rahmen (14), der sich außerhalb des Rotationselements befindet,

Aktuatoren (8-13), die aus einem piezoelektrischen Element gefertigt sind, wobei jeder Aktuator ein am Rahmen befestigtes Außenende sowie ein Innenende aufweist, das sich zum Rotationselement hin rechtwinkelig zur Mittelachse erstreckt, und so betätigt wird, daß sich das Innenende, wenn eine Ladungsenergie an den Aktuator angelegt wird, zum Rotationselement hin oder von diesem weg bewegt; und

Statoren (1-7), die so angeordnet sind, daß sie einen Außenumfang des Rotationselements umgeben, wobei zwischen jedem Stator und dem Rotationselement ein Spalt gebildet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Rotationselement aus einem Permanentmagneten besteht und die Statoren aus einem magnetischen Material bestehen, wobei jeder Stator am Innenende eines jeweiligen Aktuators befestigt ist, so daß sich die Breiten der Spalte ändern, wenn die Aktuatoren durch Anlegen der Ladungsenergie an die Aktuatoren in radiale Richtungen in bezug auf die Mittelachse bewegt werden, wodurch das Rotationselement gedreht wird.

2. Mikromotor nach Anspruch 1, worin das Rotationselement und die Statoren einen Magnetkreis mit einem magnetostatischen Potential bilden, wobei das magnetostatische Potential geändert wird, wenn die Statoren bewegt werden, wodurch das Rotationselement gedreht wird.

3. Mikromotor nach Anspruch 2, worin die Aktuatoren und Statoren in bezug auf die Mittelachse symmetrisch angeordnet sind, wobei zwei der Aktuatoren, die gegenüber der Mittelachse symmetrisch sind, gleichzeitig betätigt werden, um das Rotationselement zu drehen.

4. Mikromotor, umfassend:

ein Rotationselement (21), das um seine Mittelachse (40) rotiert,

einen Rahmen (14), der sich außerhalb des Rotationselements befindet,

Aktuatoren (28a, b, 30a, b), wobei jeder Aktuator ein am Rahmen befestigtes Außenende sowie ein Innenende aufweist, das sich zum Rotationselement hin erstreckt und so betätigt wird, daß, wenn an den Aktuator eine Ladungsenergie angelegt wird, das Innenende zum Rotationselement hin oder von diesem weg bewegt wird, und Statoren (22a, b - 27a, b), wobei zwischen jedem Stator und dem Rotationselement ein Spalt gebildet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Statoren aus magnetischem Material bestehen und das Rotationselement aus einem Permanentmagneten besteht; und

das Rotationselement eine Deck- und eine Bodenfläche sowie zumindest ein Paar Pole an jeder Fläche aufweist, wobei die Aktuatoren angrenzend an zumindest eine aus der Deckfläche und der Bodenfläche des Rotationselements angeordnet sind und sich parallel zur Mittelachse erstrecken, wobei jeder Stator am Innenende eines jeweiligen Aktuators befestigt ist, um zumindest eine aus der Deck- und der Bodenfläche des Rotationselements zu bedecken, so daß sich die Breiten der Spalte ändern, wenn durch Anlegen der Ladungsenergie an die Aktuatoren diese parallel zur Mittelachse bewegt werden, wodurch sich das Rotationselement dreht.

5. Mikromotor nach Anspruch 4, worin das Rotationselement und die Statoren einen Magnetkreis mit einem magnetostatischen Potential bilden, wobei das magnetostatische Potential geändert wird, wenn die Statoren bewegt werden, wodurch das Rotationselement gedreht wird.

6. Mikromotor nach Anspruch 5, worin zwei der Aktuatoren und Statoren, die in bezug auf das Rotationselement symmetrisch angeordnet sind, gleichzeitig betätigt werden, um das Rotationselement zu drehen.