專利名稱：機(jī)電馬達(dá)，特別是壓電式微步驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)電馬達(dá)，特別是一種壓電式調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置。
背景技術(shù)：
在機(jī)動(dòng)車的駕駛艙中嘗試實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和技術(shù)方面的最佳組合方 式。在此，在駕馬史員的一見野中存在著各種不同的顯示儀表。這些顯 示儀表不僅必須滿足各種不同的技術(shù)要求而且也必須具有對(duì)于機(jī) 動(dòng)車的大批量生產(chǎn)來說的具有竟?fàn)幜Φ膬r(jià)格。這種顯示儀表的一個(gè)
實(shí)例是Siemens VDO ^>司的"Messwerk 2000"。
"Messwerk 2000，，基于一個(gè)在下方設(shè)置有單級(jí)的蝸輪變速器的 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。四極的步進(jìn)電機(jī)通過作為時(shí)間的函H的兩個(gè)以 90度的相位角4皮此相位偏移的正弦類型的線圏電流曲線來控制。相 移的符號(hào)確定了電才幾軸的旋轉(zhuǎn)方向、頻率和旋轉(zhuǎn)速度。在正弦類型 的電流曲線的360度的全周期的范疇中可以重復(fù);也調(diào)節(jié)直至128個(gè) 中間級(jí)。該中間級(jí)的應(yīng)用4皮稱為樣t步運(yùn)^f亍。
包括上述已表明了特征的步進(jìn)電機(jī)的完整的調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置 "Messwerk 2000"包括十二個(gè)單個(gè)部件。步進(jìn)電4幾本身由帶有共同 的定子板的兩個(gè)線圈和一個(gè)永7磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成。在部件成本方面，線圏 和永磁體是最大的成本。除了材料成本之外，生產(chǎn)成本同樣對(duì)于價(jià)格是決定性的，該生產(chǎn)成本大約隨著調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的部件凄t量而成
比例i也增長(zhǎng)。
由EP 1 098 429 Bl公開了 一種根據(jù)新的馬達(dá)原理(也就是無旋轉(zhuǎn)的線圈)工作的才幾電馬達(dá)，其中，在運(yùn)4亍期間通過對(duì)至少兩個(gè)枳j電驅(qū)動(dòng)件的時(shí)間上錯(cuò)置的操作來循環(huán)地推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)，從而通過驅(qū)動(dòng)環(huán)對(duì)特別是處于驅(qū)動(dòng)環(huán)內(nèi)部的軸的直4妄的力傳遞來旋轉(zhuǎn)該軸。驅(qū)動(dòng)環(huán)的循環(huán)的推移運(yùn)動(dòng)可以通過例如壓電i也、i茲致伸縮地、電致伸縮地或者電動(dòng)地驅(qū)動(dòng)的作動(dòng)器來i秀發(fā)，從而獲得在材料成本和生產(chǎn)成本方面更好地適合于大批量生產(chǎn)的調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置。壓電式作動(dòng)器可一皮這才羊地安裝在驅(qū)動(dòng)環(huán)上，即其各自的4于程徑向地作用到驅(qū)動(dòng)環(huán)上，其中也許會(huì)采用其它的措施，以便實(shí)現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)環(huán)上的盡可能對(duì)稱的力傳導(dǎo)。
在最后提到的技術(shù)狀態(tài)下，獲得了在功能方面的優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置具有最好的同步性能(旋轉(zhuǎn)速度的穩(wěn)定性不取決于軸的當(dāng)前位置)，而沒有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。然而，特別是彎曲作動(dòng)器的縱向延伸和徑向布置卻帶來這才羊的問題，即平面的驅(qū)動(dòng)裝置變體在平面中需要巨大的位置并且多數(shù)情況下都不是很緊湊的。然而，由于在駕駛艙儀表中預(yù)設(shè)的非常緊張的結(jié)構(gòu)空間比例的原因，緊湊的平面驅(qū)動(dòng)裝置是迫切需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種在部件數(shù)量、生產(chǎn)成本、結(jié)構(gòu)空間需求以及功能性方面得到優(yōu)化的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置，特別是一種用于駕駛艙儀表的測(cè)量裝置的最小的調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置。該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電馬達(dá)、特別是壓電式微步電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利的設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案由下述的說明書、附圖和/人屬權(quán)利要求給出。
根據(jù)本發(fā)明的才幾電的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置具有以下特征
兩個(gè)^L電的、優(yōu)選為壓電式的驅(qū)動(dòng)件(作動(dòng)器)，該驅(qū)動(dòng)件具有近似-波此垂直指向的作用方向；以及一個(gè)這才羊可旋轉(zhuǎn);也支撐在驅(qū)
偏轉(zhuǎn)來激勵(lì)進(jìn)行可直接傳遞到軸上的推移運(yùn)動(dòng)，從而使軸在驅(qū)動(dòng)環(huán)中；袞動(dòng)并由此^走壽爭(zhēng)，同時(shí)兩個(gè)才幾電馬區(qū)動(dòng)件通過一個(gè)剪^刀靈活(scherflexible )并抗4丑的、近似正方形的4匡架結(jié)構(gòu)非徑向;也鉸接在設(shè)置在正方形的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部的并且與其剛性連接的驅(qū)動(dòng)環(huán)上。
由于剪切靈活的、但是抗扭的正方形框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)相反地，不必再重^L相對(duì)于環(huán)孔的中心點(diǎn)的、通過彎曲作動(dòng)器提供的力在驅(qū)動(dòng)環(huán)中的徑向的力傳遞，這是因?yàn)橥ㄟ^非徑向
構(gòu)和在其角部、例如是在殼體中的固定裝置基本上無扭轉(zhuǎn)地j妄收。這4是供了節(jié)省空間地布置驅(qū)動(dòng)件、特別是沿著正方形的框架結(jié)構(gòu)的外側(cè)和內(nèi)側(cè)布置驅(qū)動(dòng)件的可能性。由此可以實(shí)玉見非常緊湊的、節(jié)省空間的調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置。 一見驅(qū)動(dòng)件的預(yù)定的尺寸而定，較長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)件可以有利地沿著外側(cè)面并且專交短的驅(qū)動(dòng)件可以沿著內(nèi)側(cè)面、也就是i兌設(shè)置在正方形的框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間中。才艮據(jù)本發(fā)明的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置的特征還在于，非常少的數(shù)量的部件，從而使其特別適合于大批量生產(chǎn)。此外，由于塑^h和作動(dòng)器的不同的熱膨脹而出現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)裝置的熱失調(diào)在結(jié)構(gòu)上可靠地;故阻止。通過形S犬配合、例如4昔助于在驅(qū)動(dòng)環(huán)與軸之間形成的齒部實(shí)現(xiàn)了在純^皮4空制的運(yùn)4亍中對(duì)才艮據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置的非常高的調(diào)節(jié)精度，而不必使用傳感器和控制電路。
此外，由兩個(gè)才幾電的、優(yōu)選壓電的驅(qū)動(dòng)件的剪切靈活的4交4妄獲得一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即其運(yùn)動(dòng)方向彼此去耦，從而使驅(qū)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)不受阻礙或者受到非常少的阻礙。同時(shí)，基于正方形的^I架的靈活結(jié)構(gòu)，在力傳遞時(shí)也就不存在能量損失。
根據(jù)本發(fā)明(有利于緊湊性能的優(yōu)化)不一定追求在驅(qū)動(dòng)環(huán)上的完全對(duì)稱的力傳導(dǎo)?？紤]到功能而可能從其中得出的結(jié)果、例如輕微的同步波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可以通過其它措施來進(jìn)一 步降低，即進(jìn)一步遵守客戶說明書。特別地，小的轉(zhuǎn)矩可以通過驅(qū)動(dòng)件的調(diào)制純正弦形特性曲線的控制裝置來得到補(bǔ)償。
在本發(fā)明的一個(gè)特別有利的實(shí)施方式中，正方形的框架結(jié)構(gòu)包括大約設(shè)置在正方形的拐角中的四個(gè)角件，這些角件分別通過一對(duì)近似平行的桿件彼此連接，其中，桿件在角件上的連接分別通過固體4交《連實(shí)現(xiàn)，并且其中，角件與驅(qū)動(dòng)環(huán)剛性地連4妄。桿件的成對(duì)的大約平行的布置與桿件在角件上的連接的組合造成，即由此形成的大約正方形的框架結(jié)構(gòu)可以容易地(也就是說幾乎不受力i也)在平面的各個(gè)方向上以剪切的形式變形。相反，這樣形成的正方形框架結(jié)構(gòu)相對(duì)于兩個(gè)任意的角件的彼此之間的扭轉(zhuǎn)具有高的阻力。如果一個(gè)角4牛例如固定在殼體中，相對(duì)-沒置的角件可以相對(duì)于它而在平面中推移但不可旋轉(zhuǎn)。因此，驅(qū)動(dòng)環(huán)與該可平移的角件剛性地連接。
驅(qū)動(dòng)環(huán)由此可同樣容易地推移^f旦不可^走轉(zhuǎn)。每個(gè)作用到其上的轉(zhuǎn)矩通過基本上抗扭的框架結(jié)構(gòu)接收并且傳導(dǎo)到固定的角件或者殼體上，而同時(shí)不會(huì)^吏驅(qū)動(dòng)環(huán)劇烈^走轉(zhuǎn)。
固體鉸鏈可以分別通過桿件的短的部段中的橫截面收縮部形成，這尤其在制造技術(shù)上看是具有優(yōu)點(diǎn)的。該實(shí)施方式可以祐 沒計(jì)地更加有利，也就是說總體上設(shè)計(jì)具有正方形的框架結(jié)構(gòu)的明顯更
大的抗4丑剛性。為此，在至少一^N黃截面4欠縮部的情況下，該一7于橫截面收縮部對(duì)應(yīng)于相同的一對(duì)桿件和相同的角件，該一對(duì)一黃截面收縮部中的至少 一個(gè)以 一種方式相對(duì)于各個(gè)桿件的中軸線確昔置地形成，即通過一對(duì)的兩個(gè)橫截面收縮部形成的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的間距相對(duì)于在分別中間地設(shè)置的橫截面收縮部的情況下的間距是擴(kuò)大的。
當(dāng)力傳遞不應(yīng)該通過彎曲作動(dòng)器實(shí)玉見時(shí)， 一個(gè)實(shí)施例是有利的，在該實(shí)施例中，每個(gè)機(jī)電驅(qū)動(dòng)件的移動(dòng)的端部都作用在與驅(qū)動(dòng)環(huán)連4妻的角件的每個(gè)相鄰角件上。
另一方面，當(dāng)力傳遞應(yīng)該通過彎曲作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)時(shí)，那么一個(gè)實(shí)施例是特別有利的，在該實(shí)施例中，在與驅(qū)動(dòng)環(huán)連4妻的角4牛上連4妄有兩個(gè)大約彼此垂直地設(shè)置的拉壓桿，該拉壓桿在正方形的框架結(jié)
自由端部分別至少延伸到配屬于該角件的相鄰角件的區(qū)域中，其
上。此外，才艮據(jù)一個(gè)改進(jìn)方案，4立壓桿分別朝向于其兩個(gè)端部具有
各一個(gè)固體4交4連。
兩個(gè)才幾電驅(qū)動(dòng)件可以特別有利地:沒計(jì)成彎曲作動(dòng)器，優(yōu)選地是
壓電式彎曲作動(dòng)器。
這種基于壓電式陶瓷材料的固體-彎曲作動(dòng)器在不同類型的結(jié)
構(gòu)形式中多年以來在多種工業(yè)領(lǐng)域中使用。其特征在于小的結(jié)構(gòu)形式、低的能量需求以及高的可靠性。因此，壓電式彎曲作動(dòng)器例如
展示了在工業(yè)環(huán)境中至少為109的周期的^[吏用壽命。
才艮據(jù)本發(fā)明的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置的一個(gè)特別緊湊的變體通過兩個(gè)彎曲作動(dòng)器在正方形的沖匡架結(jié)構(gòu)的外部或者內(nèi)部并且大約平^亍于該正方形的框架結(jié)構(gòu)的兩側(cè)的布置來實(shí)現(xiàn)，該彎曲作動(dòng)器4立于與驅(qū) 動(dòng)環(huán)連接的角件的對(duì)面，其中，彎曲作動(dòng)器分別利用其移動(dòng)的端部 作用在與驅(qū)動(dòng)環(huán)連^妄的角件的各個(gè)相鄰角件上，或者作用在各個(gè)拉 壓才干的自由端部上。
在最后才是及的實(shí)施方式的一個(gè)改進(jìn)方案中，位于與驅(qū)動(dòng)環(huán)連4妾 的角件對(duì)面的角件固定在殼體上，并且具有兩個(gè)容納部，這兩個(gè)容 納部分別設(shè)計(jì)用于將彎曲作動(dòng)器剛性地固定在其靜止的端部上。在 本發(fā)明的這個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，基本上為條形的彎曲作動(dòng)器在一 個(gè)端部上枳4成剛'l"生i也夾緊或者固定。在該端部上還^尤選:t也^U亍彎曲 作動(dòng)器的電接觸。在相對(duì)的、可移動(dòng)的端部上，相應(yīng)于彎曲作動(dòng)器 的電控制實(shí)現(xiàn)在其作用方向上的偏轉(zhuǎn)。例如用于顯示儀表的、應(yīng)用 在小型調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置中的彎曲作動(dòng)器典型i也這才羊確定尺寸，即它在
其移動(dòng)的端部上具有在大約0.2mm至2mm范圍中的自由偏轉(zhuǎn)。此 外，在彎曲作動(dòng)器的可自由運(yùn)動(dòng)的端部的偏轉(zhuǎn)^皮鎖止的情況下，實(shí) 現(xiàn)了從0.5N至2N的范圍中的鎖止力。彎曲作動(dòng)器的大約直線的偏
轉(zhuǎn)分別橫向于其最大縱向延伸來實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)應(yīng)于彎曲作動(dòng)器的 作用方向的偏轉(zhuǎn)方向近似垂直于彎曲作動(dòng)器的纟從向軸線。
在本發(fā)明的所有變體中，有利的是，將正方形的框架結(jié)構(gòu)和驅(qū) 動(dòng)環(huán)共同設(shè)計(jì)為以塑料噴射注塑技術(shù)一體制成的驅(qū)動(dòng)模塊，其中彎 曲作動(dòng)器^皮一 同注入到驅(qū)動(dòng)才莫塊中。在噴射注塑才支術(shù)中實(shí)玉見的驅(qū)動(dòng) 模塊簡(jiǎn)單并且成本低廉，其中，通過在一個(gè)噴射工序中包含多個(gè)彎 曲作動(dòng)器進(jìn)一步降低了生產(chǎn)步驟的數(shù)量。
為了剛性的支撐驅(qū)動(dòng)模塊或者為了可旋轉(zhuǎn)地支撐所配屬的軸， 有利的是，設(shè)計(jì)有近似正方形的、具有蓋的殼體，其中在殼體中設(shè) 置有具有抵靠面和第一軸承孔的中央軸承座，并且在蓋中"i殳置有用 于軸的第二軸承孔，并且其中，正方形的沖匡架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)用于固定的角件這樣地設(shè)置在殼體角部中并且剛性地和耐久地固定，即軸的 至少一個(gè)圓柱形的滾動(dòng)面可以在驅(qū)動(dòng)環(huán)的環(huán)孔的所配屬的滾動(dòng)面
中〉袞動(dòng)。


參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式加以進(jìn)一步說明。圖中示
出
圖1A和1B分別以俯視圖或透視圖示出了用于根據(jù)本發(fā)明的 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置的、由正方形的才JI架結(jié)構(gòu)和馬區(qū)動(dòng)環(huán)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)才莫塊的 一個(gè)實(shí)施例，
圖2A和2B分別以與圖1相同的示圖示出了在那里的驅(qū)動(dòng)模 塊，然而具有安裝上的彎曲作動(dòng)器，
圖3A和3B分別以與圖1相同的示圖示出了用于支撐軸和驅(qū)
動(dòng)模塊的殼體，
圖4A和4B分別以與圖1相同的示圖示出了與根據(jù)圖3的殼
圖5A和5B分別以與圖1相同的示圖示出了根據(jù)本發(fā)明的步
進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置的部分裝配，
圖6示出了弧形彈簧的透視圖，
圖7示出了用于根據(jù)本發(fā)明的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置的軸，
圖8示出了在裝配的狀態(tài)中沿著z軸線穿過驅(qū)動(dòng)裝置的軸向橫
截面，
12圖9A和9B分別以與圖1相同的示圖示出了用于4艮據(jù)本發(fā)明的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)模塊的另 一實(shí)施例，
圖10A和10B分別以與圖1相同的示圖示出了具有可布置在正方形的框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的彎曲作動(dòng)器的、根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)才莫塊
的另一實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明提出了一種壓電式步進(jìn)電機(jī)，其允許通過疊加彎曲作動(dòng)器的合適的周期性直線運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生連續(xù)和均勻的旋轉(zhuǎn)。為此目的，參照?qǐng)D2，彎曲作動(dòng)器14， 15借助于剪切靈活的正方形的才匡架結(jié)構(gòu)31這樣地連纟妻在平的驅(qū)動(dòng)環(huán)10上，即它可以沿著彎曲作動(dòng)器14， 15的〗皮此垂直的作用方向x和y (參照?qǐng)D2)平移。正方形的框架31與驅(qū)動(dòng)環(huán)10以及也許與集成的彎曲作動(dòng)器14, 15共同在接下來被稱為"驅(qū)動(dòng)才莫塊"。驅(qū)動(dòng)模塊可借助于噴射注塑技術(shù)由聚乙歸、注塑-塑#+、 POM或者由其它合適的材并+制成。
圖1以俯視圖和透視圖示出了驅(qū)動(dòng)模塊。該驅(qū)動(dòng)模塊包括四個(gè)差不多在正方形的角中i殳置的角件1， 2, 3, 4,這些角件與四對(duì)才干4牛5a, 5b, 6a, 6b, 7a， 7b, 8a， 8b 4皮》匕連才妄并且與角4牛1， 2，3, 4共同大約構(gòu)成正方形的才匡架31。
桿件5a， 5b, 6a, 6b, 7a, 7b， 8a, 8b在角件l， 2， 3， 4上
的連接借助于所謂的固體鉸鏈9實(shí)現(xiàn)。固體鉸鏈如通常的鉸鏈一樣(然而僅僅在限定的角度范圍之內(nèi))能夠?qū)崿F(xiàn)連接的部件彼此之間的幾乎無阻礙的旋轉(zhuǎn)。其功能以彎曲原理為基礎(chǔ)。如可從圖1中清晰地看到，局部的彎曲通過桿橫截面在短的部段中的有針對(duì)性的縮短來實(shí)現(xiàn)。減小的桿橫截面導(dǎo)致了劇烈下降的彎曲剛度。因?yàn)闄M截面收縮部非常局部化，但是桿的軸向彈簧剛度(岡'J度)卻幾乎沒有減小。
成對(duì)地大約平行"i殳置的桿件5a， 5b， 6a, 6b, 7a， 7b， 8a，8b與其通過固體鉸鏈9在角件1, 2, 3， 4上的連接所形成的組合i"足成了，即由此形成的、大約正方形的沖匡架結(jié)構(gòu)31可以輕^H也(也就是說幾何不受力地)在平面的各個(gè)方向中以剪切的形式變形。相反，框架結(jié)構(gòu)31對(duì)于兩個(gè)任意的角件的;f皮此相對(duì)的扭轉(zhuǎn)而反向地施加了高的阻力。
如果例如角件1 (如后面聯(lián)系圖5進(jìn)行說明的那樣)被固定，角件4可以相對(duì)于該固定的角件在一個(gè)平面中推移，但是不旋轉(zhuǎn)。因此，驅(qū)動(dòng)環(huán)10剛性地與角件4連接。驅(qū)動(dòng)環(huán)10可容易地推移，但是不可旋轉(zhuǎn)。每個(gè)作用在驅(qū)動(dòng)環(huán)10上的轉(zhuǎn)矩通過抗扭的框架結(jié)構(gòu)31接收并且傳遞到角件1的固定裝置上，而同時(shí)不會(huì)4吏驅(qū)動(dòng)環(huán)IO發(fā)生很大的旋轉(zhuǎn)。
因此，才艮據(jù)本發(fā)明不再需要注意相對(duì)于環(huán)孔10a的中心點(diǎn)的、通過彎曲作動(dòng)器14， 15提供的力在驅(qū)動(dòng)環(huán)10中的徑向力傳遞(參見圖1B),這是因?yàn)橥ㄟ^非徑向的力傳遞所導(dǎo)致的、在驅(qū)動(dòng)環(huán)10上的轉(zhuǎn)矩基本上無扭轉(zhuǎn)地通過框架結(jié)構(gòu)31和角件1的固定裝置接收。
固定的角件1包括用于將兩個(gè)(首次在圖2中示出的)彎曲作動(dòng)器14, 15剛性地固定在其靜止的端部上的容納部11。附加地，可以在容納部11中設(shè)計(jì)在此未示出的措施，其用于使得彎曲作動(dòng)器電連接，例如通過壓力接觸銷、夾式觸點(diǎn)或者弧形彈簧觸點(diǎn)?？蛇x的是，彎曲作動(dòng)器14, 15也可以在其相對(duì)i殳置的移動(dòng)的端部或者i兌區(qū)域上電4姿觸。移動(dòng)的端部15a,參見圖2,彎曲作動(dòng)器14， 15在根據(jù)圖1的實(shí)施例中分別保持在容納體12中，彎曲作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)或者驅(qū)動(dòng)力由容納體中出來分別通過一個(gè)拉壓桿13傳送到角件4上，進(jìn)而傳送到驅(qū)動(dòng)環(huán)10上。拉壓桿13同樣借助于固體鉸鏈9,也就是說剪切靈活地連4妄在角件4或者容納體12上，借此，彎曲作動(dòng)器14, 15就可以彼此完全不依賴地作用于驅(qū)動(dòng)環(huán)10,或者不必克服各個(gè)另外的彎曲作動(dòng)器的相對(duì)較高的機(jī)械剛度進(jìn)行工作。也就使得彎曲作動(dòng)器14， 15的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了去耦。
如果彎曲作動(dòng)器14, 15被電控制，那么該彎曲作動(dòng)器大約以圓《瓜的形式彎曲，由此，曲線在#:移動(dòng)的彎曲端部上的正切曲線剩-率發(fā)生變化。這種類型的"旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)"通過固體4交鏈9而纟皮可靠地阻止。同樣，彎曲長(zhǎng)度相對(duì)于驅(qū)動(dòng)模塊的變化(例如通過框架結(jié)構(gòu)31和彎曲材料的不同的熱膨脹)通過拉壓桿聯(lián)接器13利用固體鉸鏈9而被可靠地阻止，其方法是拉壓桿13最小程度地旋轉(zhuǎn)，而不會(huì)由此損害功能。
圖2示出了具有彎曲作動(dòng)器14， 15的驅(qū)動(dòng)模塊，其中未示出彎曲作動(dòng)器14, 15的電4妾觸。Y昔助于彎曲作動(dòng)器14可以促^f吏驅(qū)動(dòng)環(huán)lO在y方向上運(yùn)動(dòng)并JM昔助于彎曲作動(dòng)器15可以促〗吏驅(qū)動(dòng)環(huán)10在相對(duì)于角件1的x方向上運(yùn)動(dòng)。偏轉(zhuǎn)也可以分別如圖2A所示的那樣在正的或者負(fù)的x或者y方向上實(shí)^L。
此外，為了實(shí)現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)中與驅(qū)動(dòng)模塊相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)上的原理，軸和盡可能無間隙的、但是可旋轉(zhuǎn)地對(duì)其進(jìn)行的支撐以及驅(qū)動(dòng)^^莫塊的剛性支撐是必須的
圖3以俯—見圖(圖3A)和透一見圖(圖3B)示出了為此目的合適的近似正方形的殼體。其包括帶有圓柱形滑動(dòng)軸承孔17的軸承座16,該軸承座與在其中旋轉(zhuǎn)的軸的圓柱形滑動(dòng)面以緊密的間隙配合的形式配對(duì)。兩個(gè)相鄰的內(nèi)邊，例如內(nèi)邊18， 19的邊緣長(zhǎng)度和 軸7 〈孔17的軸線的位置^皮這樣測(cè)定，即在角件l(剛性地和耐久地) 固定在例如殼體角部20中的情況下，驅(qū)動(dòng)環(huán)10的環(huán)孔10a的軸線 相對(duì)于軸承孔17的軸線一致地進(jìn)行調(diào)整。軸承座16a的支岸義面21 這樣地定位，即軸的滾動(dòng)面在z方向(垂直于繪圖平面)上處于一 個(gè)高度，該高度對(duì)應(yīng)于環(huán)孔10a的z位置，從而在適當(dāng)?shù)乜刂茝澢?作動(dòng)器14， 15的情況下可使軸在環(huán)孔10a的圓柱形的內(nèi)表面中滾 動(dòng)。
圖4示出了與殼體16匹配的、具有第二軸壽義孔22的蓋16b, 該第二軸承孔以可旋轉(zhuǎn)^f旦是緊密的間隙配合的方式與軸的第二圓 柱形滑動(dòng)面配對(duì)，其孔軸線在蓋16b裝入到殼體16中的情況下與 環(huán)孔10a的軸線和在殼體16中的第一軸7f^L 17的軸線一致。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置的部分裝配，其具有安 裝在殼體16中的驅(qū)動(dòng)模塊、安裝上的彎曲作動(dòng)器14， 15、安裝上 的軸23和安裝上的弧形彈簧24。弧形彈簧24 —方面支撐在軸23 上，另一方面在安裝上蓋16b的情況下以足夠的、但是較小的力支 撐在蓋16b的一個(gè)面上，從而使軸23保持為抵靠于軸承座16a的 面21,但是沒有引起阻礙軸23旋轉(zhuǎn)的很大的摩擦力。以這種方式 確^[呆驅(qū)動(dòng)環(huán)10和軸23的;袞動(dòng)面在所有的運(yùn)4于條4牛下者卩足夠4青確i也 在z方向上4皮此定位保持。
圖6示出了合適的弧形彈簧24。該弧形彈簧24包括用于穿過 軸線的孔25，由此同樣確保其不會(huì)在運(yùn)行中"移走"。弧形彈簧24 通過靠近孔軸線的面26以接觸線的形式支撐在軸23上，以便使得 通過摩擦而產(chǎn)生的到軸23上的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩保持得盡可能小。位于遠(yuǎn) 處的外部的面27用于4吏弧形彈簧24支撐在蓋面上。圖7示出了合適的軸23。其具有兩個(gè)圓柱形的滑動(dòng)軸承面 28, 29,其與4由厚義孑L 17, 22的圓柱形的內(nèi)表面配對(duì)；以及至少一 個(gè)圓柱形的滾動(dòng)面30，其與環(huán)孔10a的至少一個(gè)滾動(dòng)面配對(duì)。為此， 面28的軸向延長(zhǎng)部用于分別連接需要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的部件。
圖8示出了在裝配的狀態(tài)中沿著z軸線穿過才艮據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng) 裝置的軸向橫截面。其特別示出了其組件的彼此之間的位置。軸23 可以在兩個(gè)位置上以緊密的間隙配合的形式，利用滑動(dòng)面對(duì)28， 17 和29, 22圍繞z軸線進(jìn)行低摩擦的旋轉(zhuǎn)，但是無間隙地支撐。合 適的弧形彈簧24在與抵靠面21共同作用的情況下使軸23相對(duì)于z 方向低摩〗察地固定住。在靜止?fàn)顟B(tài)中，驅(qū)動(dòng)才莫塊4吏環(huán)孔10a的滾動(dòng) 面保持為同心的并且也保持在z方向上在相對(duì)于軸23的滾動(dòng)面30 的合適的位置上。
圖9示出了驅(qū)動(dòng)模塊的一個(gè)特別有利的變體。該實(shí)施例相對(duì)于 圖1示出的i殳計(jì)方案具有一個(gè)^L點(diǎn)，即才匡架結(jié)構(gòu)31的相鄰的^H牛 的所有旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的間距一例如相鄰的桿件34, 35的固體4吏鏈9的旋 轉(zhuǎn)點(diǎn)32， 33—都被加大，而不會(huì)損害桿件的軸向剛度并且總體上不 會(huì)影響驅(qū)動(dòng)裝置的延伸。相對(duì)于根據(jù)圖l的那個(gè)實(shí)施例，通過固體 鉸鏈9的這種修改方案實(shí)現(xiàn)了框架結(jié)構(gòu)31相對(duì)于作用到驅(qū)動(dòng)環(huán)10 上的轉(zhuǎn)矩的明顯提高了的抗扭剛性。
圖10A和10B示出了驅(qū)動(dòng)裝置的另外的變體，其中，彎曲作 動(dòng)器與之前描述的實(shí)施例相比可以不設(shè)置在正方形的框架結(jié)構(gòu)31 的外部而是設(shè)置在其內(nèi)部。由此，尤其對(duì)于尺寸設(shè)計(jì)較短的作動(dòng)器 可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)特別緊湊的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置。角件1, 2, 3， 4在該變 體中或多或少地條帶型地設(shè)計(jì)。固體鉸鏈32, 33可以實(shí)現(xiàn)為在圖9 中描述的"非對(duì)稱的"實(shí)施例。借助于合適的電控制功能，彎曲作動(dòng)器14， 15分別在其移動(dòng) 的端部15a上以正弦形或者余弦形的時(shí)間曲線圍繞靜止位置偏轉(zhuǎn)， 由此，環(huán)孔10a的滾動(dòng)面保持抵靠于軸23的滾動(dòng)面30并且以圓形 推移運(yùn)動(dòng)的形式圍繞軸23的滾動(dòng)面30運(yùn)動(dòng)，并且由此4吏軸23轉(zhuǎn) 入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。借助于驅(qū)動(dòng)環(huán)10的x-或者y-偏轉(zhuǎn)的相對(duì)的相位來確 定旋轉(zhuǎn)方向和借助于控制頻率來確定^走轉(zhuǎn)速度。
在最簡(jiǎn)單的情況下，從驅(qū)動(dòng)環(huán)10到軸23的力傳遞通過摩4察來 實(shí)現(xiàn)。在此可以耳又決于這種構(gòu)造的調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的、作用到軸23 上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩而滑脫，由此降低了調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的精度。優(yōu)選地， 通過引入驅(qū)動(dòng)環(huán)10的和軸23的卩袞動(dòng)面之間的形狀配合4牛來減少滑 脫，尤其通過在驅(qū)動(dòng)環(huán)10的內(nèi)表面10a上和在軸23的外表面上安 裝齒部來減少滑脫。在此，驅(qū)動(dòng)環(huán)10和軸23優(yōu)選具有不同的齒數(shù) 量，該數(shù)量差至少為1。這意味著，驅(qū)動(dòng)環(huán)10的內(nèi)表面的齒部比軸 23的外表面至少多出一個(gè)齒。如果驅(qū)動(dòng)環(huán)10和軸23在調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝 置內(nèi)部這樣被操縱，即齒部未脫出嚙合，則調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置以理想的 方式不滑脫i也工作。
驅(qū)動(dòng)環(huán)10的和軸23的"t罷線齒部^皮看作為特別優(yōu)選的。在4罷線 齒部的情況下，所有齒中的幾乎一半噴合，由此可以在驅(qū)動(dòng)環(huán)10 與軸23之間傳輸很高的轉(zhuǎn)矩。首先，通過在驅(qū)動(dòng)環(huán)10的內(nèi)表面上 的和在軸23的外表面上的齒的數(shù)量確定了調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置1的傳動(dòng) 比，其典型地在乂人20: 1至200: l之間的范圍中。為了進(jìn)一步4吏 調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置被調(diào)整出僅僅一個(gè)齒的距離，也就是說進(jìn)一步使得軸
23通過驅(qū)動(dòng)環(huán)10旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒的距離，優(yōu)選地必須經(jīng)歷調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝 置的控制中的正弦信號(hào)的完整的周期。由于為了進(jìn) 一 步調(diào)節(jié)出 一 個(gè) 齒的距離而必須經(jīng)歷控制信號(hào)的一個(gè)周期，因此調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的特 征在于高的精度和高的重復(fù)精度。此外，通過齒的數(shù)量以及對(duì)于每 個(gè)齒的控制信號(hào)的周期的應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的高的角度
18分辨率。對(duì)此補(bǔ)充地可以任意地在控制信號(hào)的周期之內(nèi)插值，以便 確保調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的孩i步運(yùn)4亍。因此，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置4艮據(jù)優(yōu)選的配
置而提供了高效率、高傳動(dòng)比、高的可傳輸轉(zhuǎn)矩(基于驅(qū)動(dòng)環(huán)10 的和軸23的齒部)、在傳輸轉(zhuǎn)矩時(shí)的不滑脫性能、在軸23(微步運(yùn) 行)的齒之內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度的任意插值、少的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)(波動(dòng)) 以及對(duì)于驅(qū)動(dòng)環(huán)10和軸23的低的齒面負(fù)載，從而同樣也降低了磨損。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)電馬達(dá)，特別是壓電式微步驅(qū)動(dòng)裝置，具有-兩個(gè)機(jī)電驅(qū)動(dòng)件(14，15)，所述機(jī)電驅(qū)動(dòng)件具有近似彼此垂直指向的作用方向，-一個(gè)這樣可旋轉(zhuǎn)地支撐在驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)中的軸(23)，即所述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)可通過所述機(jī)電驅(qū)動(dòng)件(14，15)在各自的作用方向上的偏轉(zhuǎn)來激勵(lì)進(jìn)行可直接傳遞到所述軸(23)上的推移運(yùn)動(dòng)，從而使所述軸(23)在所述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)中滾動(dòng)并由此旋轉(zhuǎn)，同時(shí)-所述兩個(gè)機(jī)電驅(qū)動(dòng)件(14，15)通過一個(gè)剪切靈活并抗扭的、近似正方形的框架結(jié)構(gòu)(31)非徑向地鉸接在設(shè)置在所述正方形的框架結(jié)構(gòu)(31)內(nèi)部的并且與所述框架結(jié)構(gòu)剛性連接的所述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，所述正方形的框架結(jié) 構(gòu)(31)包括大約設(shè)置在正方形的拐角中的四個(gè)角件(1, 2， 3， 4)，所述角件分別通過一對(duì)大約平行的桿件(5a， 5b, 6a， 6b， 7a, 7b， 8a, 8b ) 4皮it匕連4妄，其中，分另U通過固體4交鏈(9 ) 將所述桿件連接到所述角件上，并且其中一個(gè)角件(4)與所 述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)剛性連4妾。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，所述固體鉸鏈(9) 分另'J通過戶斤述^H牛(5a, 5b， 6a, 6b， 7a, 7b, 8a, 8b)的4豆的部^殳中的4黃截面收縮部形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，在至少一對(duì)橫截面收 縮部的情況下，所述一對(duì)橫截面收縮部對(duì)應(yīng)于相同的一對(duì)桿件(34， 35)和相同的所述角件(1， 2, 3， 4)，所述一對(duì)4黃截面收縮部中的至少 一個(gè)以 一種方式相對(duì)于各個(gè)所述桿件(34， 35 )的中軸線偏移地形成，即通過所述一對(duì)的兩個(gè)橫截面收縮 部形成的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)(32， 33)的間距相對(duì)于在分別中間地設(shè)置的 橫截面收縮部的情況下的間距是擴(kuò)大的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，每個(gè)機(jī) 電驅(qū)動(dòng)件(14, 15)的移動(dòng)的端部(15a)都作用在與所述驅(qū) 動(dòng)環(huán)(10)連接的所述角件(4)的每個(gè)相鄰角件(2, 3)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，在與所 述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)連4妄的所述角件(4)上連4妄有兩個(gè)大約;波此 垂直地設(shè)置的拉壓桿(13)，所述拉壓桿在所述正方形的框架的所述桿件(6a， 6b, 7a, 7b )走向地以其自由端部而分別至 少延伸到配屬于所述角件(4)的所述相鄰角件(2， 3)的區(qū) 域中，其中，每個(gè)4幾電驅(qū)動(dòng)件(14, 15)的所述移動(dòng)的端部(15a) 作用在每個(gè)拉壓桿(13 )的自由端部上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，所述拉壓桿(13 )分 別朝向于所述拉壓桿的兩個(gè)端部具有各一個(gè)固體鉸鏈(9)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的機(jī)電馬達(dá)，所述才幾電馬達(dá) 的兩個(gè)才幾電驅(qū)動(dòng)件(14, 15)是彎曲作動(dòng)器，優(yōu)選地是壓電式彎曲作動(dòng)器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，所述兩個(gè)彎曲作動(dòng)器(14， 15 )設(shè)置在所述正方形的框架結(jié)構(gòu)(31)的外部或者內(nèi) 部并且大約平4于于所述正方形的沖醫(yī)架結(jié)構(gòu)(31 )的兩側(cè)，所述 兩個(gè)彎曲作動(dòng)器位于與所述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)連接的所述角件(4) 的對(duì)面，其中所述彎曲作動(dòng)器(14， 15)分別利用其移動(dòng)的端部(15a)作用在與所述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)連4妄的所述角件(4)的 各個(gè)所述相鄰角件(2, 3 )上，或者作用在各個(gè)所述拉壓桿(13 ) 的自由端告卩上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，位于與所述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)連接的所述角件(4)對(duì)面的所述角件(1 )固定在殼體 (16)上，并且具有兩個(gè)容納部(11),所述容納部分別設(shè)計(jì) 用于將彎曲作動(dòng)器(14， 15)剛性地固定在其靜止的端部上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，所述 正方形的一醫(yī)架結(jié)構(gòu)(31 )和所述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)構(gòu)成了以塑并牛噴 射注塑技術(shù)一體制成的驅(qū)動(dòng)模塊，其中所述彎曲作動(dòng)器(14， 15 ) -故一 同注入到所述驅(qū)動(dòng)才莫塊中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，近似 正方形的殼體(16 )設(shè)計(jì)具有蓋(16b )，其中在所述殼體(16 ) 中設(shè)置有具有4氐靠面(21 )和第一軸^K孔(17)的中央軸承座(16a),并且在所述蓋(16b)中i殳置有用于所述軸(23)的 第二軸承孔(22)，并且其中，所述正方形的框架結(jié)構(gòu)(31) 的設(shè)計(jì)用于固定的角件(1)這樣地設(shè)置在殼體角部(20)中 并且剛性地和耐久地固定，即所述軸(23 )的至少一個(gè)圓柱形 的滾動(dòng)面(30)可以在所述驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)的環(huán)孔(10a)的所 配屬的滾動(dòng)面中滾動(dòng)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，所述軸(23)設(shè)計(jì) 具有盤形的中間件，所述中間件的第 一環(huán)形的端面平》丈在所述 軸承座(16a)上，并且所述中間件的圓周表面形成了所述軸(23)的所述圓柱形滾動(dòng)面(30)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的機(jī)電馬達(dá)，其中，為了確保在所述軸 (23)的軸線的z方向上的固定而i殳計(jì)有弧形彈簧(24),所 述弧形彈簧配備有孔(25 )以便使所述軸(23 )穿過，所述弧 形彈簧一側(cè)支撐在所述軸(23 )的所述盤形的中間件的第二環(huán)形端面上，以及另一側(cè)在裝配了蓋(16b)的情況下支撐在所 述蓋(16b)的表面上，從而輕易地防止了所述軸(23)的旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微步電機(jī)，包括兩個(gè)機(jī)電驅(qū)動(dòng)件(14，15)，特別是壓電式彎曲作動(dòng)器，其具有彼此垂直指向的作用方向。這些作動(dòng)器(14，15)作用在驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)上，從而由此使軸(23)旋轉(zhuǎn)。這些作動(dòng)器(14，15)通過一個(gè)剪切靈活并抗扭的、近似正方形的框架結(jié)構(gòu)(31)非徑向地鉸接在設(shè)置在框架(31)的內(nèi)部的并與之剛性連接的驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)上。這獲得了緊湊的驅(qū)動(dòng)裝置，其中框架(31)和驅(qū)動(dòng)環(huán)(10)一體地設(shè)計(jì)為噴射注塑驅(qū)動(dòng)模塊。
文檔編號(hào)H01L41/09GK101681990SQ200880016600
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者伯恩哈德·戈特利布, 卡爾-海因茨·米滕比勒, 卡斯滕·瓦倫豪爾, 安德烈亞斯·卡佩爾, 海因里希-約亨·布盧默, 羅伯特·沃爾夫?qū)せ麪? 蒂姆·施韋貝爾 申請(qǐng)人:大陸汽車有限責(zé)任公司