超聲波電動機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及超聲波電動機，包括具有布置在其上的四個摩擦元件(4)的壓電超聲波致動器(1)、與摩擦元件摩擦接觸的摩擦面(6)以及電勵磁裝置(16)，其中超聲波致動器具有帶內(nèi)圓周面(14)、外圓周面(12)以及連接內(nèi)、外圓周面的兩個平坦端面(5)的環(huán)狀或空心圓柱體形狀，其中四個摩擦元件以關(guān)于圓周方向的等距隔開布置在超聲波致動器的其中一個端面上，使得每兩個摩擦元件徑向相對，并且超聲波致動器包括十二個相同的圓周部分(10)，其中每個圓周部分具有用于將在超聲波致動器中形成聲學(xué)駐波的發(fā)生器，并且由于駐波引起的超聲波致動器的變形導(dǎo)致摩擦元件在傾斜至端面的運動軌跡上和/或在基本上垂直于端面的運動軌跡上偏移，并且每個發(fā)生器具有至少一個勵磁電極(11)、至少一個通用電極(13)或通用電極的一部分以及布置在勵磁電極和通用電極或通用電極的部分之間的由壓電陶瓷制成的層(15)。
【專利說明】超聲波電動機
[0001 ]本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1至5所述的超聲波電動機。
[0002]從US 6,765,335 B 2已知一種超聲波電動機，利用該超聲波電動機借助超聲波致動器可實現(xiàn)待驅(qū)動元件的線性單坐標(biāo)移動。為了實現(xiàn)雙坐標(biāo)或三坐標(biāo)移動，相應(yīng)的超聲波電動機需要兩個或三個互相獨立的超聲波致動器(對此請參照例如EP 2 258 004 BI或US7,635,940 B2)。
[0003]本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種超聲波電動機，該電動機僅借助一個超聲波致動器就能夠生成將要由該超聲波致動器驅(qū)動的元件的雙坐標(biāo)或三坐標(biāo)移動。
[0004]該任務(wù)通過權(quán)利要求1所述的超聲波電動機得以實現(xiàn)，其中隨后的從屬權(quán)利要求包括至少有利的實施形式和改進形式。
[0005]因此以超聲波電動機為出發(fā)點，該超聲波電動機包括具有帶內(nèi)圓周面、外圓周面以及將內(nèi)、外圓周面連接起來的兩個平坦端面的環(huán)狀或空心圓柱體形狀的壓電超聲波致動器，其中在一個平坦端面上布置了四個摩擦元件。這些摩擦元件以彼此相同的間距(即等距)分散布置在超聲波致動器的圓周或端面上。換句話說，兩個相鄰摩擦元件之間有90°的圓周角，使得四個摩擦元件中的每兩個徑向相對(即以180°的圓周角距)。摩擦元件與元件，例如摩擦臺的摩擦面摩擦接觸或工作接觸，摩擦元件被彈性壓緊在該摩擦面上。
[0006]此外，本發(fā)明所述超聲波發(fā)動機具有電勵磁裝置。該裝置被設(shè)置用于電連接勵磁電極和通用電極或電連接超聲波致動器的通用電極，其中勵磁電極與通用電極或者與一個通用電極和布置在勵磁電極和該通用電極之間的壓電材料層共同構(gòu)成用于將在超聲波致動器內(nèi)形成聲學(xué)駐波的發(fā)生器?？偟膩碚f，超聲波致動器具有十二個相同的且分布在超聲波致動器圓周上的發(fā)生器。每個發(fā)生器是空心圓柱體或環(huán)的部分圓周部分，其中每個圓周部分構(gòu)成部分空心圓柱體。
[0007]通過借助電勵磁裝置相應(yīng)地電激勵發(fā)生器在表示波諧振器的超聲波致動器中形成聲學(xué)駐波或形變波，并且由駐波引起的超聲波致動器的變形導(dǎo)致摩擦元件在傾斜至端面的運動軌跡上和/或基本上垂直于端面的方向(橫向運動軌跡)上或沿著該傾斜的運動軌跡和/或該方向產(chǎn)生相應(yīng)的偏移，其中傾斜的運動軌跡具有縱向或切線分量和橫向或軸向分量，并且縱向或切線分量基本上平行于摩擦面延伸。在此可通過在基本上垂直于端面的方向(即在橫向運動軌跡上)偏移摩擦元件來產(chǎn)生垂直于摩擦面的運動(z方向)，而由于摩擦元件在傾斜至端面的運動軌跡上或沿著該運動軌跡偏移可以產(chǎn)生沿著摩擦面(χ-y平面)的運動。
[0008]為此，本發(fā)明所述超聲波發(fā)動機可以僅借助一個超聲波致動器不僅產(chǎn)生在平面(x-y平面)中的雙坐標(biāo)移動，而且產(chǎn)生三坐標(biāo)移動，在該三個坐標(biāo)移動中還額外進行垂直于x-y平面的移動并從而進行在z方向上的移動。這時一方面超聲波致動器可能會相對于摩擦面移動；另一方面還可以設(shè)想的是，超聲波致動器被固定并且產(chǎn)生構(gòu)成摩擦面的元件的相對移動。
[0009]可能有利的是，勵磁電極布置在超聲波致動器的外圓周面上并且一個通用電極或多個通用電極布置在超聲波致動器的內(nèi)圓周面上。
[0010]同樣可能有利的是，勵磁電極、通用電極和分別布置在這兩者間由壓電陶瓷構(gòu)成的層基本上與超聲波致動器的端面平行布置。
[0011]此外還可能有利的是，電勵磁裝置提供具有頻率的交流電壓，在該電壓下在超聲波致動器中產(chǎn)生聲學(xué)駐波的第六模式。
[0012]除此之外還可能有利的是，超聲波電動機具有用于電極的轉(zhuǎn)換開關(guān)，該轉(zhuǎn)換開關(guān)將該電極與電勵磁裝置連接，使得在超聲波致動器中產(chǎn)生聲學(xué)駐波的第六模式時，在一對徑向相對的摩擦元件上出現(xiàn)在傾斜的運動軌跡上或沿著該運動軌跡的最大偏移，并且在另一對徑向相對的摩擦元件上出現(xiàn)在傾斜的運動軌跡上或沿著該運動軌跡的最小偏移。
[0013]附圖簡要說明
[0014]圖1:示出了本發(fā)明所述超聲波電動機(未示出電勵磁裝置)
[0015]圖2:圖形8:以透視圖示出了圖1所示超聲波電動機的超聲波致動器；圖形9:以俯視圖(向上看)示出了圖1所示超聲波電動機的超聲波致動器
[0016]圖3:示出了本發(fā)明所述超聲波電動機的超聲波致動器的實施形式(未示出摩擦元件)
[0017]圖4:示出了涉及本發(fā)明所述超聲波電動機的超聲波致動器與電勵磁裝置連接的方框圖
[0018]圖5:圖形28:示出了處于未激勵狀態(tài)的本發(fā)明所述超聲波電動機的超聲波致動器的FEM模型；圖形27和29:示出了借助圖形28所示模型進行最大變形階段的FEM計算
[0019]圖6:圖形33至38:示出了本發(fā)明所述超聲波電動機的超聲波致動器的不同電激勵對摩擦元件偏轉(zhuǎn)方向的影響
[0020]圖7:示出了本發(fā)明所述超聲波電動機的超聲波致動器的摩擦元件和摩擦面之間的接觸或嚙合情況
[0021]圖1示出了具有超聲波致動器I的本發(fā)明所述超聲波電動機，該超聲波致動器構(gòu)成波諧振器2，其中超聲波致動器被構(gòu)造成由壓電材料制成的空心圓柱體3，并且在該超聲波致動器的其中一個平坦端面5上布置了四個摩擦元件4。通過力F借助超聲波致動器的摩擦元件4將超聲波致動器I彈性壓緊在摩擦臺7的摩擦面6上。力F可以由超聲波致動器的重力產(chǎn)生，但它也可以由附加元件，例如彈簧或磁鐵產(chǎn)生。
[0022]圖2的圖形8示出了圖1所示作為單部件的超聲波致動器。該超聲波致動器總共具有十二個相同的圓周部分或圓周段10。每個圓周部分10具有勵磁電極11，其中相鄰圓周部分10的勵磁電極不相互接觸。在超聲波致動器的內(nèi)圓周面14上布置了完整環(huán)繞的通用電極13。每個勵磁電極11與通用電極13相應(yīng)的相對部分和布置在兩個電極之間的壓電材料層構(gòu)成用于將在超聲波致動器中形成聲學(xué)駐波或形變波的發(fā)生器。平坦的端面5上布置了四個摩擦元件4，其中摩擦元件分別布置在兩個相鄰勵磁電極之間的中間區(qū)域內(nèi)。換句話說:每個摩擦元件的對稱線在兩個相鄰勵磁電極中間延伸。兩個相鄰摩擦元件4包圍基本上為90°的圓周角，使得有兩對摩擦元件，在這兩對摩擦元件中兩個相應(yīng)的摩擦元件徑向相對布置。
[0023]圖2的圖形9以俯視圖示出了圖形8所示超聲波致動器，根據(jù)該圖形可特別好地識別出超聲波致動器各個元件之間的幾何關(guān)系。通過筒體或筒體的圓周呈現(xiàn)眾多徑向平面S(虛線)，這些徑向平面分別延伸通過兩個相鄰勵磁電極的中間，但抑或示出摩擦元件的對稱平面。徑向平面S將空心圓柱體分成十二個相同的圓周部分10。在圖2的圖形8中以及在相應(yīng)的其他附圖中用虛線示出了徑向平面S與超聲波致動器I的交點。
[0024]此外，根據(jù)圖2的圖形9，壓電陶瓷層15的極化方向用相應(yīng)的箭頭以注釋P標(biāo)示。極化方向在此垂直于電極，使得產(chǎn)生徑向指向的極化。此外，圖2的圖形9示出了勵磁電極的電連接端子Al至A12以及通用電極的電連接端子A0。
[0025]圖3示出了本發(fā)明所示超聲波發(fā)動機的超聲波致動器的可選的實施形式。在該超聲波致動器中每個發(fā)生器都有交替布置的多個勵磁電極11層和通用電極13層，其中電極層之間布置了壓電陶瓷材料層15(所謂的多層布置)。這些層在此在超聲波致動器的軸向方向上堆疊，并且壓電陶瓷材料的極化方向垂直于電極或垂直于端面，即在軸向方向上，其中分別相鄰的壓電材料層的極化方向相反(反平行極化方向)。各個發(fā)生器的所有勵磁電極11通過相應(yīng)的連接端子Al至A12接觸，而各個發(fā)生器的所有通用電極13通過連接端子AO接觸。
[0026]圖4示出了涉及本發(fā)明所示超聲波電動機的超聲波致動器與電勵磁裝置16連接的方塊圖。相應(yīng)的電路在此具有轉(zhuǎn)換開關(guān)20，該轉(zhuǎn)換開關(guān)包括斷路開關(guān)21至26，借助斷路開關(guān)可實現(xiàn)電勵磁裝置和將要被驅(qū)動的勵磁電極之間的連接。在此斷路開關(guān)21與連接端子Al、A4、A5、A8、A9和Al 2連接，斷路開關(guān)22與連接端子A2、A3、A6、A7、AlO和Al I連接等。
[0027]電勵磁裝置16在其連接端子17和18上提供交流電壓Ul，并且在連接端子19和18上提供交流電壓U2。這些電壓彼此相位移動180°角。它們具有相同的頻率f。，因而在超聲波致動器I中激勵或產(chǎn)生聲學(xué)變形駐波的第六模式(六個λ/2長的半波)。每個發(fā)生器產(chǎn)生駐波的λ/4部分。
[0028]圖5在圖形28中示出了處于未激勵狀態(tài)下本發(fā)明所述超聲波電動機的超聲波致動器的FEM模型，而圖形27和29示出了基于圖形28所示模型對由于在超聲波致動器中激勵的駐波產(chǎn)生的最大變形階段進行FEM計算。該駐波通過操作任一斷路開關(guān)21至26產(chǎn)生。端面5位于駐波頂點上的點30僅具有振動的橫向或軸向分量。而端面5位于駐波下降部分上的點31不僅具有振動的橫向或軸向分量，而且還具有振動的縱向或切線分量。
[0029]操作任一斷路開關(guān)21至26不會使產(chǎn)生的駐波的形式發(fā)生改變。僅改變波相對于摩擦元件4的位置。在此波移動半個波長，S卩λ/2，或移動四分之一波長，S卩λ/4。
[0030]上面所描述的波位置的變化會導(dǎo)致摩擦元件4的點32的移動軌跡變化，如圖6中的圖形33至38所示。
[0031]圖形33在此對應(yīng)斷路開關(guān)21的接通狀態(tài)。圖形34對應(yīng)斷路開關(guān)22的接通狀態(tài)。圖形35對應(yīng)斷路開關(guān)23的接通狀態(tài)。圖形36對應(yīng)斷路開關(guān)24的接通狀態(tài)。圖形37對應(yīng)斷路開關(guān)25接通狀態(tài)。顯示38對應(yīng)斷路開關(guān)26的接通狀態(tài)。
[0032]在所有情況下，點32在兩個不同的運動軌跡上移動，即在傾斜的運動軌跡40和橫向運動軌跡41上移動。
[0033]圖7示出了摩擦元件4的點32在傾斜的運動軌跡40上的移動。該傾斜的運動軌跡40在此可分解為兩個分量，即分解為縱向或切線分量42和橫向或軸向分量43。運動軌跡的縱向分量42致使摩擦元件5在箭頭44所示方向上移動致動器1(驅(qū)動方向)。
[0034]在橫向運動軌跡41上移動的點32不具有縱向移動分量，因此該點也不會影響致動器I的移動。
[0035]操作斷路開關(guān)21至26導(dǎo)致點32的運動軌跡變化，并且從橫向運動軌跡41改變至傾斜的運動軌跡40和運動軌跡40傾斜角在圖6的圖形33至38中所示出的反向。運動軌跡40的傾斜角的反向?qū)е乱苿臃聪?在此也請參照致動器I在圖1中用六個箭頭44所示在摩擦臺7上移動的變化)。
[0036]通過操作斷路開關(guān)21至26可能使致動器I在摩擦面6上線性移動，并且向前(圖6中的圖形33所示)、向后(圖6中的圖形34所示)、向右(圖6中的圖形35所示)以及向左(圖6中的圖形36所示)移動。此外，還可能在順時針方向(圖6中的圖形37所示)或逆時針方向(圖6中的圖形38所示)旋轉(zhuǎn)移動。
[0037]本發(fā)明使對超聲波電動機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計成為可能，在該超聲波電動機上固定了超聲波致動器I，該超聲波致動器使布置在導(dǎo)向裝置中的摩擦臺7移動，其中導(dǎo)向裝置限制垂直于致動器I端面5延伸的移動(附圖中未顯示)。
【主權(quán)項】
1.一種超聲波電動機，包括具有布置在其上的四個摩擦元件(4)的壓電超聲波致動器(I)、與所述摩擦元件摩擦接觸的摩擦面(6)以及電勵磁裝置(16)，其中所述超聲波致動器具有帶內(nèi)圓周面(14)、外圓周面(12)以及連接所述內(nèi)圓周面和所述外圓周面的兩個平坦端面(5)的環(huán)狀或空心圓柱體形狀，其中所述四個摩擦元件以關(guān)于圓周方向的等距距離布置在所述超聲波致動器的其中一個所述端面上，使得每兩個所述摩擦元件徑向相對，并且所述超聲波致動器包括十二個相同的圓周部分(10)，其中每個所述圓周部分具有用于將在所述超聲波致動器中形成聲學(xué)駐波的發(fā)生器，并且由于所述駐波引起的所述超聲波致動器的變形導(dǎo)致所述摩擦元件在傾斜至所述端面的運動軌跡上和/或基本上垂直于所述端面的運動軌跡上偏移，并且每個發(fā)生器具有至少一個勵磁電極(11)、至少一個通用電極(13)或通用電極的一部分以及布置在所述勵磁電極與所述通用電極或所述通用電極的所述部分之間的由壓電陶瓷制成的層(15)。2.如權(quán)利要求1所述的超聲波電動機，其特征在于，所述勵磁電極布置在所述超聲波致動器的所述外圓周面上，并且所述一個通用電極或所述多個通用電極布置在所述超聲波致動器的所述內(nèi)圓周面上。3.如權(quán)利要求1所述的超聲波電動機，其特征在于，所述勵磁電極、所述通用電極以及布置在所述勵磁電極和所述通用電極之間的相應(yīng)的所述由壓電陶瓷制成的層基本上平行于所述超聲波致動器的所述端面布置。4.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的超聲波電動機，其特征在于，所述電勵磁裝置提供具有一頻率的交流電壓，在所述交流電壓下在所述超聲波致動器中產(chǎn)生所述聲學(xué)駐波的第六模式。5.如權(quán)利要求4所述的超聲波電動機，其特征在于，所述超聲波電動機具有用于所述電極的轉(zhuǎn)換開關(guān)(20)，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)(20)將所述電極與所述電勵磁裝置連接，使得在所述超聲波致動器中產(chǎn)生所述聲學(xué)駐波的所述第六模式時，在一對徑向相對的摩擦元件上出現(xiàn)沿所述傾斜的運動軌跡的最大偏移，并且在另一對徑向相對的摩擦元件上出現(xiàn)沿所述傾斜的運動軌跡的最小偏移。
【文檔編號】H02N2/12GK105830329SQ201480068864
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年12月4日
【發(fā)明人】瓦拉迪米爾·維施紐斯基, 阿列克謝·維施紐斯基
【申請人】物理儀器(Pi)兩合有限公司