CN100587991C - 线性超声电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性超声压电电动机，包括与板状的矩形共振板摩擦接触的移动元件，其中摩擦面由共振板的至少一个纵向窄面来实现，还包括设置在共振板的纵向宽面上用于产生声学振动的电极。按照本发明，用于产生声学振动的发生器相对于对称地横切共振板的平面非对称地设置，并包括两个相对的电极，它们在受到激励时产生非对称的空间驻波。

Description

线性超声电动机

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分的线性超声压电电动机，其具有与板状矩形共振板摩擦接触的运动元件，其中摩擦面通过共振板的至少一个纵向窄面来体现，并且具有设置在共振板的纵向宽面上用于产生声学振动的电极。

背景技术

线性超声电动机由US专利4978882公开，该电动机按照压电激励的原理在作为闭合波导管的环形振荡器中工作。这种电动机具有非常复杂的结构，其中多个压电元件例如通过粘接而固定在环形振荡器上。因此，这样的电动机制造起来非常昂贵，并且只能小型化到有限的程度。

根据US专利5672930，该现有技术包括在杆状振荡器、即开路波导管中激励起运动超声波的超声电动机。这种电动机的缺点是实际上不可能在开路的波导管中激励起正在运动的超声波，因为在开路波导管中将与激励运动波同时地激励起对称的驻波，这从负面影响了电动机的摩擦接触。这又会分别导致摩擦面和整个电动机的剧烈生热，以及很高的噪声电平。此外，按照现有技术的这种电动机还需要很高的激励电压，制造起来非常昂贵并且难以小型化。

最容易想到的解决手段是例如根据DE19945042C2的压电超声电动机。在这种电动机中，在压电的板状谐振器中同时激励纵向驻波以及弯曲波(Biegewelle)。作为这两个波重叠的结果，设置在谐振器上的冲击元件(Stosselement)进行椭圆形运动。该冲击元件将运动传递到另一由球支承并挤压在冲击元件上的运动元件。但是，这里使用比较昂贵的球支承是一个缺点，尤其是在经济方面。

在使用明显更经济的滑动支承时，产生支承中的摩擦损耗，其与由执行器形成的或通过摩擦接触所传送的有效力相当。因此，很容易想到的放弃球支承是有问题的。另一个问题存在于用磁材料实施球支承，从而这样的电动机不能用于非磁性应用。

发明内容

因此，基于以上原因，本发明的目的是提供一种进一步开发的线性超声压电电动机，其具有与板状的矩形共振板摩擦接触的运动元件，其中该电动机应该只具有很小的结构尺寸，并且整个结构简单，并且可以以很少的部件实现。

而且，在所提供的电动机中，激励电压很小，而且效率被提高。通过所提供的电动机的新颖结构设计，电动机尤其适于应用在精确定位装置、如小形化的坐标工作台、小型机器人等机电设备中。

本发明的目的的解决是通过按照权利要求1的特征组合的线性超声压电电动机来实现的，其中从属权利要求提供了至少有用的实施例和改进。

根据本发明，用于产生声学振动的发生器相对于对称地横切共振板的平面非对称地被设置，并包括两个相对的电极，这两个电极在激励时产生非对称的空间驻波。

用于产生必要振动的发生器的这种结构不仅可以激励上述非对称的空间波，而且其可以显著增大摩擦接触的长度，以及实现振荡器上的摩擦面和待运动元件上的摩擦元件的简单设置。

通过将用于产生声学振动的发生器设置在对称横切面的两侧，就可以通过开关发生器而实现运动元件的返回运动，从而可以以简单的方式产生往返运动。

至少一个纵向窄面可以包括导沟、导槽或导轨，其中导沟、导槽或导轨具有耐磨损涂层或由这样的材料制成。

运动元件可以被实现为与纵向窄面机械地有效连接的弹簧夹。

弹簧夹例如可以是U形或V形的，其中自由的脚支撑摩擦元件，并且摩擦元件具有与导沟、导槽或导轨中之一互补的形状。

在本发明的一个实施例中，弹簧夹的脚包括被构造为用于待移动对象、尤其是透镜的支架的固定区域或固定段。

超声压电电动机的共振板可以由单块压电材料或单块压电体构成，其中该压电体的各部分通过相应的激励电极实现用于产生声学振动的发生器的功能。

可替换地，可以用非压电材料制造共振板，其中用于产生声学振动的发生器机械地与共振板刚性连接。

在如上所述用于电运行线性超声压电电动机的方法中，激励源优选被构造为具有固定工作频率的电流反馈的自调节发电机，其中工作频率由压电振荡器的导致激励非对称的空间驻波的谐振频率预给定。

因此，超声压电电动机的振荡器具有优选为矩形的具有至少一个光滑摩擦面的共振板。运动元件包括至少一个与振荡器的摩擦面有效连接的摩擦元件。其中，发生器以及振荡器的用于产生声学振动的电极相对于横切共振板的对称面非对称地设置。基于这种设置，在电激励超声电动机时，在振荡器中产生驱动运动元件的非对称的声学空间驻波。

在一个实施例中，按照本发明的电动机被这样实现，使得超声振荡器具有两个声学振动发生器，其中每个发生器相对于横切共振板的对称平面非对称地设置，并且还设置将一个发生器或另一个发生器与必要的电激励源连接的转换开关，由此可以实现上面解释的运动元件的反向运动。

按照本发明的电动机的摩擦面可以被设置在位于振荡器板的纵向窄面上的一个或两个导槽中。此外，摩擦面可以被设置在同样位于振荡器板的两个纵向窄面之一上的导轨上。这两种方式都使得可以将运动部件固定在垂直于其运动的方向上。

为了延长服务寿命以及为了提高长期稳定性，在根据本发明的电动机的每个实施例中，可以为导槽或导轨的表面提供耐磨损的层或中间层，然后将实际的摩擦层涂覆在该耐磨损的层或中间层上。

在本发明电动机的一个实施例中，为运动元件选择两部分的解决方案。其中，每个部分相对于相对的部分在摩擦面的方向上被弹性地支承，从而可以不必使用专门的线性引导(Linearfuehrung)。

对于自调节发生器(自动发生器)的上述实施例，可以连续跟踪超声电动机的谐振频率，从而在这方面也提高整个装置的功能稳定性。

附图说明

下面借助各种示例性实施例参考附图详细解释本发明。在附图中：

图1示出按照本发明的电动机的第一实施例的图解；

图2示出按照本发明第一实施例的电动机的示例布线；

图3示出用于解释产生声学振动的发生器的结构的第一示例；

图4示出用于产生声学振动的发生器的结构的第二示例；

图5示出对于用于产生声学振动的振荡器或发生器的变形的表示；

图6示出沿矩形板5的纵向窄面11的点的运动路径；

图7示出在电动机运行时出现的力的示意图；

图8示出具有被加长的振荡器的电动机的实施例；

图9示出例如用钢材料制成的矩形板的修改实施例，其中发生器6粘贴在该矩形板上，

图10示出用于组装有振荡器的电动机的压电元件的不同修改实施例；

图11示出对于导沟、导槽、导轨以及摩擦面的不同的截面详细视图。

图12示出按照本发明的电动机的示例性实现形式，具有用于光学元件、尤其是待移动透镜的支架，

图13示出用于运行按照本发明的电动机的自调节电流反馈发生器的框图。

具体实施方式

按照图1所示，按照本发明的电动机包括超声振荡器1，其通过减振底座位于支架3中。此外，还示出了与振荡器摩擦接触的运动元件4。超声振荡器1包括矩形的共振板5以及一个或两个用于产生声学振动的发生器6。

原理上，可以实现按照本发明的电动机的两种结构变形。

在第一实施方式中，共振板5完全由压电材料制造，例如由铅-钛酸盐-锆酸盐(Blei-Titanat-Zirkonat)、钛酸钡(Barium-Titanat)、结晶石英、铌酸锂(Lithium-Niobat)或类似的压电材料制成。

每个声学振动发生器6包括激励电极7(图1)和公共的背电极8。这两个电极位于共振板5的纵向宽面9和10上。在该实施例中，每个声学振动发生器6是压电板5的一部分。振荡器本身被实现为单块压电体。

在电动机的第二改进实施方式中，振荡器1被构造为组合的振荡器。其中，发生器6与共振板5连接。

在这两个实施方式中，导槽12(图1)或导轨30(图11)位于板5的纵向窄面11上。摩擦面13直接位于耐磨损层14上。

为了防止电动机的摩擦接触的异常磨损，将耐磨损层14涂覆在导槽12或导轨30的表面上作为由金属、陶瓷、玻璃或其它相对于其优化的材料所制成的耐磨损薄膜。

对于电动机的具有导轨的实现形式，耐磨损层可以被构造为薄板，其中薄板通过粘接被涂覆在板5的纵向窄面11上。

电动机的运动元件4可以由两部分15组成，其中每个部分都配备有位于导槽12中的摩擦元件16。此外，每个部分15可以借助于弹簧17而相对于另一部分15被这样弹性地固定，使得摩擦元件16弹性地挤压在摩擦面13上。在这种情况下，弹簧17可以用作待移动元件、例如调节器、磁头或类似装置的支架。

图2示出具有电激励源18的振荡器的示例布线图。按照本发明电动机的工作原理，电激励源18根据运动元件4的运动方向被连接在对应的发生器6上。然后，在转换开关19上根据期望的运动方向进行发生器的开关。

图3和图4示出振荡器1的不同结构变形。为了解释振荡器1的结构和电动机的工作模式，图3和图4示出了横切共振板5的对称平面S。平面与共振板在其长度L的中间相交，垂直于大侧面9延伸，并且同样垂直于纵向窄面11地被构造。

振荡器1的用于产生声学振动的发生器6相对于对称平面S非对称地被设置，即只被设置在相应运动方向一侧上。

图3示出用于激励一阶的非对称声学空间波的振荡器1。在这种情况下，板长度L与其高度H之比大致为2到3(L/H＝2到3)。

按照图1，还可以设置长条形的振荡器，即用于激励更高阶、例如六阶的非对称的空间驻波。波的阶数由板5的长度确定。其从关系L＝n·K中选择，其中n＝4，6，8...，K＝0.7到1·H。

根据图5，示出了位置20和21，振荡器2的板5的变形，即在激励一阶的非对称的空间驻波时。这些图对应于时间上相隔半个振荡周期T/2的变形的极限情况。

图6示出位于板5的纵向窄面11上的点23的运动路径22，即在激励图5所示的一阶驻波时。可以看出，对于一阶的驻波，在振幅曲线25上具有最大值24。

图7示出基于有效的机械分力的电动机的工作模式。

一方面，振荡器1通过固定基体27上的减振底座26来支撑。通过力F_d将运动元件4挤压到振荡器1的相对面11上。纵向窄面11具有摩擦表面13，并且运动元件具有摩擦元件16。由于在激励振荡器时产生的力作用于运动元件4，所以产生力F_s，力F_s产生运动元件的运动。

图8示出具有长条形振荡器的电动机的一个改进实施例，其中振荡器的工作模式对应于图4示出的工作模式。

图9示出具有组合的振荡器1的电动机的一个改进实施例。在该改进实施例中，共振板5由非压电材料制成，例如由钢、陶瓷、金属-陶瓷、单晶体或类似材料构成。其中，声学振动发生器6被构造为与板5刚性连接的压电元件。压电板28或盘29可以被用作这样的发生器，其中电极7和8相应地位于其表面上(参见图10)。

图11示出槽12或轨30的替换方式。其中，槽12可以具有圆形或三角形的截面轮廓(位置31和32)。轨30也可以具有圆形、三角形或方形的轮廓(位置33、34、35)。

根据图12，按照本发明的电动机例如用于调整位于支架37中的物镜36。

图13公开了按照自调节发生器的原理构造的电激励源18的一种可能的改进电路。要驱动的电动机用附图标记38表示。此外，还设置转换开关19、适配器39、电流转换开关40、电流源41、驱动器42、反馈元件43、滤波器44、相移器45和切断装置46。

下面解释电动机的工作模式。在将电动机连接到电激励源18上(参见图2)时，为发生器6的电极7或8提供交流电压，也就是提供对应于振荡器1的工作频率F_a的频率。

在频率F_a下，在振荡器1中激励非对称的空间驻波，该空间波根据振荡器的长度L可以对应于一阶、二阶或更高阶。所激励的驻波的阶数对应于振幅曲线的最大值的数量。

因此，一阶驻波具有一个最大值(参见图5、6)，二阶驻波具有两个最大值，三阶驻波具有3个最大值，依次类推。

工作频率F_a对应于板5对于该非对称驻波的谐振频率，并取决于该板的尺寸和材料特性。

工作频率F_a的值可以由关系式F_a＝m·N/L来确定，其中L是板长度，N是所使用的驻波类型的频率常数，m是波的阶数(m＝1，2，3等)。

因此，例如，对于一阶波(m＝1)以及对于由PI Ceramic GmbH公司生产的压电材料PIC181所制成的板5，频率常数是N＝39600kHz·mm，即对于板长度L＝10mm，F_a＝396kHz，对于L＝20mm，F_a＝198kHz，对于L＝30mm，F_a＝132kHz。

当在振荡器1中激励非对称空间驻波时(参见图5)，摩擦面13的位于板5的纵向窄面11上的点23沿着运动路径22振动(参见图6)。这些点的运动路径是根据位置而不同地向纵向窄面的表面倾斜的直线。非对称驻波的特有特征是这些线22(点的振荡路径)在板5的中心区域中优选为相同的倾斜。对于图5和图6所示的一阶驻波，这些线具有背离发生器6的倾斜。

这些点的运动路径的优选倾斜导致力F_d的产生，力F_d同样在运动路径22的优选倾斜的方向上定向。该力是由于摩擦面13的所有点相对于摩擦元件16施加力而产生的。力F_s作用在摩擦元件16上，并且使得运动元件4在该力的作用方向上移动。

通过借助于转换开关19(图2)将激励源18从一个发生器6切换到另一发生器，可以以相对的定向改变运动路径22的倾斜方向，这导致运动元件的反向运动。

在激励一阶非对称空间驻波的超声电动机中(图1、3、12)，运动元件4的行程长度被限制为0.3L到0.4L。调整范围的长度取决于摩擦元件16的长度，并且在最大极限情况下大致为0.5L。在更高波阶下激励的电动机(图4、8、9)中，调整范围可以达到0.7L。在这些电动机中，摩擦元件16的长度不小于两个振动最大值24之间的间隔。在这种情况下，两个或更多最大值被摩擦元件覆盖，这就沿板5的整个长度产生足够均匀的驱动力。

按照本发明的电动机的电激励源18可以产生具有固定频率的交流电压来激励电动机，或者也可以被实现为自调节发生器(自动发生器)18，其中自动发生器的频率由振荡器1预给定。这种激励源的框图变体在图13中示出。

所示的电路表示电流反馈的自调节发生器，其中电流通过电极7、8传导。其中，为了将电路的激励频率保持在振荡器1的工作频率F_a上，使用振荡器上激励电压和流过振荡器的电流之间的相位关系。在振荡器谐振频率F_a、即在其上激励非对称驻波的频率上，该关系具有零相移。

在为振荡器1的电极7、8施加激励电压时，电压在反馈元件43上下降，其中该电压相对于流过振荡器的电流偏移-90°的角度。该电压降用作反馈信号。反馈信号被传递到滤波器44，其中借助于相移器进行相位旋转，使得回路的整个相移在工作频率F_a的范围内达到零度值。在借助于驱动器42的放大之后，反馈电压被提供在电流开关40的功率晶体管上用于控制。电流开关40将流过电流源39的电流在地和适配器之间切换。

除了对反馈电压进行滤波的任务之外，带通滤波器44还具有限制电路的频率带宽的功能，使得在大于1的放大系数的范围内不出现其它相位过零点。因此，系统只在工作频率F_a上振荡，因为只有对于该频率，整个系统的振荡条件才被满足。

可以通过中断电源电压E或通过操作切断装置46来实现切断。在后一种情况下，反馈回路被短接，从而省去了电路的自激励。

与现有技术相比，按照本发明的电动机可以将结构尺寸降低1.5至2倍。电动机具有非常简单的结构，并且可以不使用球支承。与现有技术的电动机相比，利用按照本发明的电动机，在相同功能的情况下激励电压的幅度小3到4倍，从而产生更高的效率，即改善了效率。

Claims (13)

1.一种线性超声压电电动机，具有与板状的矩形共振板摩擦接触的运动元件以及设置在所述共振板的纵向宽面上用于产生声学振动的相对电极，其中通过所述共振板的至少一个纵向窄面实现摩擦面，进一步包括，用于产生声学振动的发生器，其相对于对称地横切所述共振板的平面非对称地设置，并且所述电极被连接到激励源，

其特征在于，对于每个运动方向，每个发生器设置在所述对称横切平面的两侧上，用于产生声学振动，其中能够通过转换开关分开控制所述发生器，从而使运动元件的运动方向反向，以及所述声学振动产生非对称的空间驻波。

2.根据权利要求1所述的压电电动机，其特征在于，所述发生器具有公用的背电极。

3.根据权利要求1所述的压电电动机，其特征在于，至少一个纵向窄面包括导沟、导槽或导轨。

4.根据权利要求3所述的压电电动机，其特征在于，所述导沟、导槽或导轨具有耐磨损涂层或由这样的耐磨损材料制成。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的压电电动机，其特征在于，所述运动元件被构造为可机械操作地连接到所述纵向窄面的弹簧夹。

6.根据权利要求5所述的压电电动机，其特征在于，所述弹簧夹是U形或V形，其中自由脚支撑摩擦元件，并且所述摩擦元件具有与所述导沟、导槽或导轨中之一互补的形状。

7.根据权利要求6所述的压电电动机，其特征在于，所述弹簧夹的脚包括被构造为用于运动元件的支架的固定区域或固定段。

8.根据权利要求7所述的压电电动机，其特征在于，所述运动元件是透镜。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的压电电动机，其特征在于，所述共振板由单块压电体制成。

10.根据权利要求5所述的压电电动机，其特征在于，所述共振板由单块压电体制成。

11.根据权利要求1-4中任意一项所述的压电电动机，其特征在于，所述共振板由非压电材料制成，其中用于产生声学振动的发生器机械地与所述共振板刚性连接。

12.根据权利要求5所述的压电电动机，其特征在于，所述共振板由非压电材料制成，其中用于产生声学振动的发生器机械地与所述共振板刚性连接。

13.一种用于电运行按照上述权利要求至少之一的特征的线性超声压电电动机的方法，其特征在于，

激励源被构造为具有固定工作频率Fa的电流反馈自调节发生器，其中所述工作频率由压电振荡器的激励非对称空间驻波的谐振频率根据如下关系预先给定：

F_a＝m·N/L

其中L是共振板长度，

N是频率常数，

m是波的阶数。

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