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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 18. Januar 2017 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der Nr. 62/447,694, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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HINTERGRUND
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Motoren werden verwendet, um eine gewünschte Bewegung oder einen gewünschten Betrieb einer Vorrichtung zu erzeugen. Piezomotoren können verwendet werden, um kleine Bewegungen zu erzeugen und einen kleinen Raum einzunehmen.
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US 2008 / 0 191 583 A1 lehrt einen Linearantrieb zum Antreiben eines beweglich gelagerten Objekts. Ein piezoelektrischer Aktuator umfasst ein piezoelektrisches Element und einen Wandler. Das piezoelektrische Element wird von einem Haltekörper gehalten und ist mit dem Wandler gekoppelt. Eine Steuervorrichtung treibt den piezoelektrischen Aktor unter Ausnutzung der Massenträgheit des Objekts an. Der Wandler ist mit einer Reibfläche in Reibkontakt mit einer Reibfläche eines zu bewegenden Objekts. Der Wandler ist so konfiguriert, dass er das Objekt über eine mechanische Reibungskraft, die zwischen dem Wandler und dem Objekt wirkt, während einer Auslenkung des piezoelektrischen Elements in einer Bewegungsrichtung bewegt und in einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung über das Objekt gleitet.
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DE 10 2011 109 590 A1 lehrt einen piezoelektrischen Drehantrieb für eine Welle. Der Drehantrieb umfasst wenigstens einen piezoelektrischen Aktor und einen verstellbaren und/oder verformbaren Rahmen mit wenigstens einem Kupplungsabschnitt, der zur Bewerkstelligung eines Haft-Gleit-Antriebs kraftschlüssig mit der Welle koppelbar ist.
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WO 2015/ 139 691 A1 lehrt einen Trägheitsantrieb, umfassend ein längenveränderliches, insbesondere piezoelektrisches Aktorelement und ein Rahmenelement. Das Rahmenelement weist einen Abstützungsabschnitt, an dessen Abstützungsfläche sich ein erster Endabschnitt des Aktorelements abstützt, und einen Umformungsabschnitt auf, an dessen Anlagefläche ein zweiter Endabschnitt des Aktorelements, der dem ersten Endabschnitt des Aktorelements gegenüberliegt, anliegt. Der Umformungsabschnitt weist einen Gelenkabschnitt auf, und ein an dem Umformungsabschnitt des Rahmenelements angeordnetes Federelement mit einem Reibabschnitt an seinem freien Ende. Ein anzutreibender Reibkörper befindet sich in direktem oder indirektem mechanischem Kontakt mit dem Reibabschnitt. Die Längenänderung des Aktorelements ruft eine rotatorische Bewegung des Umformungsabschnitts um den Gelenkabschnitt hervor, die über das Federelement auf den Reibabschnitt zum Antrieb des anzutreibenden Reibkörpers übertragen wird, wobei der Reibabschnitt in einer der Anlagefläche abgewandten Richtung beabstandet zu der Anlagefläche angeordnet ist.
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US 2010 / 0 290 138 A1 lehrt einen piezoelektrischen Trägheitsantrieb zur optischen Justierung, umfassend einen starren Körperabschnitt mit einer ersten piezoelektrischen Elementbefestigungsfläche. Ein durchgehendes und flexibles elastisches Element weist ein erstes Ende auf, das eine zweite piezoelektrische Elementbefestigungsfläche aufweist, einen Antriebsflächenabschnitt mit einer Antriebsfläche, einen axial starren Abschnitt, der zwischen dem Antriebsflächenabschnitt und dem ersten Ende angeordnet und daran befestigt ist, einen S-förmigen elastischen Abschnitt, der sich von dem Antriebsflächenabschnitt erstreckt, und einen zweiten Endabschnitt, der zwischen dem S-förmigen elastischen Abschnitt und dem Körperabschnitt angeordnet und daran befestigt ist. Ein piezoelektrisches Element ist zwischen der ersten und der zweiten Montagefläche angeordnet und daran befestigt.
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DE 10 2009 057 746 A1 lehrt einen Nanopositionierer, umfassend mindestens ein Stellglied mit mindestens einer durch Auslenkung des Stellglieds bewegbaren Auflage für das zu bewegende Objekt sowie mindestens ein Federelement. Das Federelement vermag das zu bewegende Objekt mit einer zwischen dem Objekt und der Auflage wirkenden Normalkraft zu beaufschlagen und ist derart mit der Auflage verbunden, dass der Spannungszustand des Federelements unabhängig von der Position des zu bewegenden Objekts ist.
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WO 2010/ 105 592 A1 lehrt eine Vorrichtung mit wenigstens einem röhrenförmigen Piezoelement zur elektromechanischen Positionierung eines Läufers im Inneren des Piezoelements. Dabei übt wenigstens ein mit dem Piezoelement verbundenes elastisches Reibungsmittel eine Normalkraft auf den Läufer aus.
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KURZDARSTELLUNG
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In einer Konstruktion beinhaltet ein piezoelektrischer Motor einen Betätigungsabschnitt, beinhaltend eine Betätigungsoberfläche und einen Piezostapel, der als Reaktion auf ein Anlegen einer Spannung betreibbar ist, um die Betätigungsoberfläche entlang einer Betätigungsachse zwischen einer eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen Position zu bewegen. Ein Federbügel umgibt teilweise den Betätigungsabschnitt und ist betreibbar, um die Betätigungsoberfläche zur eingefahrenen Position vorzuspannen, und ein beweglicher Abschnitt steht mit der Betätigungsoberfläche reibschlüssig in Eingriff. Die Spannung ist derart ausgewählt, dass der bewegliche Abschnitt an der Betätigungsoberfläche haftet, wenn sich die Betätigungsoberfläche zu einer der eingefahrenen Position und der ausgefahrenen Position bewegt, und auf der Betätigungsoberfläche gleitet, wenn sich die Betätigungsoberfläche zur anderen der eingefahrenen Position und der ausgefahrenen Position bewegt. Der Betätigungsabschnitt umfasst eine Leiste, die fest an dem Piezostapel angebracht ist, wobei die Leiste eine Quaderform aufweist und wobei die Betätigungsoberfläche zwei gegenüberliegende Oberflächen der Leiste beinhaltet. Der Piezostapel ist als Reaktion auf das Anlegen einer Spannung entlang einer Betätigungsachse beweglich. Die Leiste bewegt sich als Reaktion auf die Bewegung des Piezostapels zwischen einer eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen Position.
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In einer anderen Konstruktion weist ein piezoelektrischer Motor einen Federbügel auf, der sich um einen wesentlichen Abschnitt eines Umfangs erstreckt, der durch den Piezostapel und die Leiste definiert ist, und betreibbar ist, um die Leiste zur eingefahrenen Position vorzuspannen. Jedes eines Paares von Pads kann mit einer der Betätigungsoberflächen in Eingriff genommen werden, und ein Federkopf kann mit jedem Pad des Paares von Pads in Eingriff genommen werden, um jedes Pad des Paares von Pads in Reibungseingriff mit der jeweiligen Betätigungsoberfläche zu bringen, sodass jedes des Paares von Pads an der jeweiligen Betätigungsoberfläche haftet, wenn sich die Betätigungsoberfläche zu einer der eingefahrenen Position und der ausgefahrenen Position bewegt, und auf der Betätigungsoberfläche gleitet, wenn sich die Betätigungsoberfläche zu der anderen der eingefahrenen Position und der ausgefahrenen Position bewegt.
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In noch einer anderen Konstruktion beinhaltet ein piezoelektrischer Motor einen Piezostapel, der als Reaktion auf das Anlegen einer Spannung betreibbar ist, um sich entlang einer Betätigungsachse zu bewegen, eine Leistenstütze, die fest an dem Piezostapel angebracht ist, und eine Leiste, beinhaltend ein Paar von Betätigungsoberflächen, das fest an der Leistenstütze angebracht ist, wobei die Betätigungsoberflächen als Reaktion auf die Bewegung des Piezostapels zwischen einer eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen Position beweglich sind. Ein Federbügel umgibt zumindest teilweise den Piezostapel, die Leistenstütze und die Leiste und ist betreibbar, um die Leiste zur eingefahrenen Position vorzuspannen. Der Federbügel wirkt mit der Leistenstütze zusammen, um eine Wand zu definieren, die zumindest teilweise den Umfang von jeder der Betätigungsoberflächen umgibt und sich über jede der Betätigungsoberflächen in eine Richtung senkrecht zur Betätigungsachse erstreckt. Jedes eines Paares von Pads kann mit einer der Betätigungsoberflächen in Eingriff genommen werden, und ein Federkopf kann mit jedem Pad des Paares von Pads in Eingriff genommen werden, um jedes Pad des Paares von Pads in Reibungseingriff mit der jeweiligen Betätigungsoberfläche zu bringen, sodass jedes des Paares von Pads an der jeweiligen Betätigungsoberfläche haftet, wenn sich die Betätigungsoberfläche zu einer der eingefahrenen Position und der ausgefahrenen Position bewegt, und auf der Betätigungsoberfläche gleitet, wenn sich die Betätigungsoberfläche zu der anderen der eingefahrenen Position und der ausgefahrenen Position bewegt.
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KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Um die Erläuterung eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Handlung leicht zu ermitteln, bezieht/beziehen sich die wichtigste(n) Ziffer(n) eines Bezugszeichens auf die Figurennummer, in der dieses Element zuerst eingeführt wurde.
- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Piezo-Mikromotors.
- 2 ist eine auseinandergezogene Ansicht des Motors aus 1.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht des Motors aus 1, die die Bewegung eines Federkopfes veranschaulicht.
- 4 ist eine Seitenansicht des Motors aus 1.
- 5 ist eine Vorderansicht des Motors aus 1.
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Bevor beliebige Ausführungsformen der Erfindung detailliert erklärt werden, sei vorausgeschickt, dass es sich versteht, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Gestaltungsdetails und auf die Anordnung der Komponenten, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den folgenden Zeichnungen illustriert werden, beschränkt ist. Die Erfindung kann andere Ausführungsformen annehmen und auf verschiedene Arten in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Zudem versteht es sich, dass die in der vorliegenden Schrift sowie in der Zusammenfassung verwendete Phraseologie und Terminologie der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend anzusehen sind. Die Verwendung von „beinhaltend“, „umfassend“ oder „aufweisend“ und Variationen davon soll die anschließend aufgeführten Elemente und Äquivalente davon sowie zusätzliche Elemente einschließen. Sofern nicht anderweitig festgelegt oder eingeschränkt, werden die Ausdrücke „montiert“, „verbunden“, „gestützt“ und „gekoppelt“ sowie Variationen davon allgemein verwendet und sie schließen sowohl direkte als auch indirekte Montagen, Verbindungen, Stützen und Kopplungen ein. Außerdem sind „verbunden“ und „gekoppelt“ nicht auf physische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 veranschaulicht einen Motor 100 in der Form eines piezoelektrischen Mikromotors. Der Motor 100 ist derart angeordnet, dass der unter Verwendung des Haft-Gleit-Prinzips des Betriebs arbeitet, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Wie in 1 und 2 veranschaulicht, beinhaltet der Motor 100 einen Betätigungsabschnitt, aufweisend einen Piezostapel 102, eine Leistenstütze 104, eine Leiste 106 und einen Federbügel 112. Der Motor 100 beinhaltet außerdem einen beweglichen Abschnitt, aufweisend ein erstes Pad 108, ein zweites Pad 108 und einen Federbügel 110. Der Motor 100 aus 1 ist derart angeordnet ist, dass er den Federkopf 110 linear entlang einer Betätigungsachse 116 des Motors 100 bewegt.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 1 ist der Piezostapel 102 in einer grob kubischen Form (z. B. 2 mm x 2 mm x 2 mm) angeordnet, wobei andere Formen und Größen möglich sind. Der Piezostapel 102 beinhaltet ein Lötpad 114 an zwei gegenüberliegenden Seiten, wobei jedes angeordnet ist, um eine elektrische Leitung aufzunehmen, die dem Piezostapel 102 Leistung in Form eines Signals mit variabler Spannung bereitstellt.
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Die Leistenstütze 104 ist über einen Klebstoff oder eine andere Form der Anbringung fest an dem Piezostapel 102 angebracht. Die Leistenstütze 104 beinhaltet eine Nut 202, die bemessen und angeordnet ist, um die Leiste 106 aufzunehmen. In bevorzugten Gestaltungen ist die Leiste 106 über einen Klebstoff oder ein anderes Anbringungssystem fest an der Leistenstütze 104 angebracht. In bevorzugten Gestaltungen ist die Leistenstütze 104 aus einer metallischen Substanz, bei Bedarf mit anderen Gestaltungen unter Verwendung von anderen Materialien gebildet.
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Die Leiste 106 ist ein längliches rechteckiges oder quaderförmiges Element, welches vorzugsweise aus einem Keramikmaterial besteht. Natürlich könnten auch andere Materialien, wie etwa Stahl, andere Metalle oder Nicht-Metalle, als Leiste 106 verwendet werden. Wie in 2 veranschaulicht, beinhaltet die Leiste 106 eine erste Betätigungsoberfläche 216 und eine zweite Betätigungsoberfläche 218 gegenüber der ersten Betätigungsoberfläche 216. Die Kante, die die Enden der ersten Betätigungsoberfläche 216 und der zweiten Betätigungsoberfläche 218 umgibt und definiert, definiert einen Abschnitt eines Umfangs 118. Unter Bezugnahme auf 1 und 5 ist zu sehen, dass der Federbügel 112 und die Leistenstütze 104 zusammenwirken, um den vollständigen Umfang 118 zu definieren. Somit umgibt der Federbügel 112 drei Kanten der Leiste 106, um einen Abschnitt des Umfangs 118 zu definieren, wobei die Oberseite der Leistenstütze 104 den Umfang 118 vervollständigt.
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Jedes des ersten Pads 108 und des zweiten Pads 108 bestehen vorzugsweise aus einem Keramikmaterial (z. B. Saphir), wobei andere nicht metallische oder metallische Materialien möglich sind. Die Materialien sowie die Oberflächenveredelungen, die für die Leiste 106, das erste Pad 108 und das zweite Pad 108 verwendet werden, sind derart ausgewählt, dass sie die gewünschte Reibungsbeziehung bereitstellen. Konkret sind die Materialien, Veredelungen und Größen derart ausgewählt, dass sie den gewünschten Reibungskoeffizienten und die zur Bewegung erforderliche Kraft bereitstellen, jedoch auch den gewünschten Grad an Haftung bereitstellen, wie nachfolgend erörtert wird.
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Unter Bezugnahme auf 2 sind das erste Pad 108 und das zweite Pad 108 im Allgemeinen identische zylindrische Komponenten, die jeweils eine Öffnung 204 in der Mitte des Pads 108 beinhalten. In einigen Gestaltungen ist die Öffnung 204 eine einfache Vertiefung. In anderen Gestaltungen verläuft die Öffnung 204 durch das Pad 108, wobei noch andere Gestaltungen eine Öffnung 204 aufweisen, die nur teilweise in das Pad 108 verläuft.
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Der Federkopf 110 ist ein im Allgemeinen U-förmiges Element, welches vorzugsweise aus Federstahl oder einem anderen ähnlichen Material gebildet ist. Ein erster Punkt 206 ist an einem Ende des Federkopfes 110 gebildet, wobei ein zweiter Punkt 206 an dem gegenüberliegenden Ende des Federkopfes 110 gebildet ist, um ein Paar von gegenüberliegenden Punkten zu definieren. Jeder Punkt 206 ist angeordnet, um die Öffnung 204 von einem des ersten Pads 108 und des zweiten Pads 108 in Eingriff zu nehmen, um eine Drehbewegung des Federkopfes 110 um eine Achse, die sich zwischen den Punkten erstreckt, zu ermöglichen. Der Federkopf 110 ist angeordnet, um eine Federkraft zu verwenden, um jedes Pad 108 mit einem gewünschten Ausmaß an Kraft (d. h. normaler Kraft) gegen die jeweilige Betätigungsoberfläche 216, 218 der Leiste 106 zu drücken, um den gewünschten Betrieb des Motors 100 zu erzeugen. Zusätzlich, und wie in 3 veranschaulicht, ermöglicht die Anordnung des Federkopfes 110 und dessen Anbringung an dem ersten Pad 108 und dem zweiten Pad 108 mehrere Freiheitsgrade der Bewegung des Federkopfes 110 in Bezug auf den Rest des Motors 100.
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Der Federbügel 112 ist ein im Allgemeinen rechteckiges Element, welches aus einem Federstahl oder einem anderen ähnlichen Material gebildet ist, das eine offene Unterseite und eine V-förmige Oberseite beinhaltet. Wie in 1 und 5 veranschaulicht, ist der Federbügel 112 bemessen, um den Piezostapel 102, die Leistenstütze 104 und die Leiste 106 teilweise einzuschließen. Die V-förmige Oberseite 210 nimmt die Leiste 106 in Eingriff und stellt eine nach unten gerichtete Druckkraft der Leiste 106 und der Leistenstütze 104 gegen den Piezostapel 102 bereit, vergleichbar mit einer Blattfeder. Diese Vorspannung verstärkt den Betrieb des Motors 100, wie nachfolgend erörtert wird.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist der Federbügel 112 breiter als die Leiste 106, sodass er sich über den Umfang 118 hinaus erstreckt, um eine Wand 302 zu definieren. Die Wand 302 wirkt mit der Leistenstütze 104 zusammen, um den Umfang 118 einzuschließen und ein Abweichen des Pads 108 von den Betätigungsoberflächen 216, 218 zu verhindern.
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Im Betrieb wird eine zyklische Spannung auf den Piezostapel 102 angelegt, um die gewünschte Bewegung zu erzeugen. Die Spannung erzeugt eine Ausdehnung des Piezostapels 102, wobei wiederholte Ausdehnungen die gewünschte Bewegung des Federkopfes 110 erzeugen. Konkret erzeugt die Ausdehnung des Piezostapels 102 eine entsprechende Bewegung der Leistenstütze 104 und der Leiste 106, die fest an dem Piezostapel 102 angebracht sind. Um die geringe Bewegung des Piezostapels 102 (typischerweise ein paar Mikrometer) auf eine gewünschte Bewegung des Federkopfes 110 zu verstärken (Teile eines Millimeters bis mehrere Millimeter), arbeitet der Motor 100 mit dem Haft-Gleit-Prinzip. Konkret wird die Spannung bei einer ausreichend geringen Rate angelegt, sodass jedes Pad 108 an der Leiste 106 haften bleibt, wenn sich die Leiste 106 in eine erste Richtung bewegt, wodurch jedes Pad 108 bewegt wird. Anders formuliert, wird die Haftreibung nicht überwunden. Am Ende der Bewegung wird die Spannung schnell entfernt, sodass die Federkraft, die von dem Federbügel 112 erzeugt wird, und das Zurückziehen des Piezostapels 102 schnell genug sind, um die Haftreibung zu überwinden und eine relative Bewegung zwischen jedem Pad 108 und der Leistenstütze 104 in eine zweite Richtung zu ermöglichen. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis die gewünschte Bewegung erreicht ist.
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Zum Beispiel und unter Bezugnahme auf 5 ist es in einem Betrieb wünschenswert, den Federkopf nach oben von einer ersten oder eingefahrenen Position, in der das Pad 108 an der Leistenstütze 104 anliegt oder nahezu anliegt, zu einer ausgefahrenen Position, in der das Pad 108 an der V-förmigen Oberseite 210 des Federbügels 112 anliegt oder nahezu anliegt, zu bewegen. Um sich nach oben zu bewegen, wird ein Spannungssignal angelegt, welches eine Ausdehnung des Piezostapels 102 und eine entsprechende Bewegung der Leiste 106 zur ausgefahrenen Position 502 bei einer relativ geringen Geschwindigkeit erzeugt. Die geringe Geschwindigkeit ist derart ausgewählt, dass sichergestellt wird, dass die Haftreibung zwischen den Pads 108 und der Leiste 106 nicht überwunden wird und sich die Pads 108 sowie der Federkopf 110 nach oben zur ausgefahrenen Position 502 bewegen. Sobald der Piezostapel 102 seine vollständig ausgefahrene Position erreicht, wird das Spannungssignal umgekehrt, um ein Zurückziehen des Piezostapels 102 zu ermöglichen (und zu veranlassen). Das Spannungssignal ist derart, dass die Rückkehr bei einer viel höheren Geschwindigkeit erfolgt, um sicherzustellen, dass die Haftreibung zwischen den Pads 108 und der Leiste 106 überwunden wird und die Leiste 106 sich zurückzieht und unter den Pads 108 gleitet, ohne die Pads zu bewegen. Während diese Bewegung in Bezug auf die Bewegung zur ausgefahrenen Position 502 beschrieben wurde, könnten die Spannungssignale umgekehrt werden, um eine ähnliche Bewegung zur eingefahrenen Position 504 zu erzeugen.
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Der Federbügel 112 wendet eine Vorkompression oder Vorspannung auf die Leiste 106 an, um dabei zu helfen, die Leiste 106 zurück in ihre ursprüngliche Position nach der Entfernung oder Umkehr der Spannung zu drücken. Zusätzlich umgibt der Federbügel 112 die Leiste 106, um eine unerwünschte seitliche Bewegung von jedem Pad 108 zu verhindern.
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In bevorzugten Gestaltungen weist der Motor 100 eine Gesamtlänge von weniger als 5 mm auf, wobei andere nach Bedarf Gestaltungen längere oder kürzere Motoren beinhalten. Der Motor 100 ist in der Lage, nach Bedarf eine kontrollierte Bewegung von Bruchteilen eines Millimeters bis zu mehreren Millimetern zu erzeugen, wenn er von einer geeigneten Steuerung oder einem geeigneten Mikroprozessor angetrieben wird.
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Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den folgenden Patentansprüchen dargelegt.
