CN101048882A - 线性超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性压电超声波电机，包括一个超声波振荡器(1)以及一个与被驱动的元件(8)处于摩擦作用的摩擦元件(6)，超声波振荡器的形式为一块压电板(4)或具有一些声振动发生器(5)的圆柱外壳(3)的一部分，摩擦元件设置在一个支架中。按照本发明，所述支架构成至少一个弹性夹具(13)的形式，该弹性夹具包围被驱动的元件和固定在超声波振荡器上并且由一种导声的材料制成。

Description

线性超声波电机

技术领域

本发明涉及按照权利要求1的前序部分所述的线性压电超声波电机。这种类型的电机拟用作不同的精密定位的仪器中的驱动装置，例如用于调整在小型化照相机物镜中、在显微术工作台中的光学透镜，用于定位在数据存储装置以及在其他此类机电式装置中的写/读头。

背景技术

由EP 0 450 919 A1已知一些线性压电超声波电机，它们按照在一个行波(einer laufenden Welle)的一个椭圆形谐振器(一个封闭的波导管)中的激励原理运行。在该结构的电机中的超声波振荡器由一种非压电材料制成。为了激励一个行弯波(einer laufenden Biegewelle)，在谐振器上借助于胶接安装一个电机式能量转换器(压电元件)。为了能够在谐振器中尽可能有效地激励一个行波，必需的是，在谐振器与压电元件之间在声阻方面要尽可能好地构成声学连接，亦即在压电元件与谐振器之间的接触声阻必须是微小的。这需要例如采用硬的胶合剂。但在压电陶瓷与谐振器材料之间的大面积的胶接是不可能的。由于两种材料的不同的热膨胀系数，陶瓷可能开裂，另一方面，在压电超声波电机的受功能限定的功率运行中，胶合剂在超声波影响下软化，这导致声阻的增高并由此引起的功率损耗增高。谐振器的处于与转子接触的一侧设有一些铣出的齿或筋条，它们用于放大弯波的切向分量。这些铣出的部分也不能便宜地进行制造。

已知的电机按此具有环形振荡器的很复杂的构造方式并且并不适用于小型化和便宜的大量制造。

此外由US-PS 5,672,930已知一些线性超声波电机，它们利用在一个棒形振荡器(在一个敞开的波导管)中一个行超声波(einerlaufenden Ultraschallwelle)的激励。在这些电机中，证明不利的是这样的事实，即在一个敞开的波导管中激励一个精确的行超声波实际上是不可能的。与激励一个行波同时，在一个敞开的波导管中激励一个对称驻波，该波对电机的摩擦接触的有效运行有不利的影响。这导致摩擦接触或超声波电机本身的强烈发热并且导致高的噪声水平。此外这些电机需要一个高的激励电压，在制造中也是昂贵的并且不可能小型化。

按照DE 199 45 042 C2的压电超声波线性电机是最近的解决方案。在这些电机中，在压电的板形谐振器中同时激励一个纵向驻波和弯驻波(eine stehende Longitudinal-sowie Biegewelle)。两个波叠加的结果是，设置在谐振器上的接合元件得到一种椭圆运动并由此将该运动传递到一个被压紧到接合元件上的球支承的活动元件上。在该结构中使用一个较昂贵的球轴承证明是不利的。在应用一个滑动轴承时，在轴承中产生可与由致动器发展的或通过摩擦接触传递的有效动力相比的摩擦损耗。球轴承的必需的应用使电机复杂化，增大了其结构空间并且提高了其制造成本。此外在采用钢球轴承时不可能为非磁性的应用设计这样的电机。

发明内容

因此本发明的目的是，缩小线性超声波电机的结构尺寸以及提高其效率。

通过按权利要求1的特征组合达到本发明的目的。

本发明的出发点是一种在被驱动的元件与其支架之间具有一种线性滑动摩擦接触的线性压电超声波电机，它能够在被驱动的元件的支架中激励超声波振动，同时降低被驱动的元件与支架之间的摩擦。

在一台线性压电超声波电机中，包括一个超声波振荡器和一个与被驱动的元件处于摩擦作用的摩擦元件，超声波振荡器的形式为一块压电板或一个具有声振动发生器的圆柱部分，摩擦元件设置在一个支架中，所述支架构成为至少一个弹性夹具的形式，该弹性夹具包围被驱动的元件。该夹具固定在超声波振荡器上并且由一种导声的材料制成。

通过被驱动的元件的支架固定在超声波振荡器上并由一种导声的材料制成，由超声波振荡器产生的超声波振动在支架中被强烈地随同激励并且被通导。超声波振动在支架中的存在能够减小在被驱动的元件与支架之间的摩擦力并因此另外需要采用线性球轴承。这简化了结构、缩小了结构尺寸并且降低了电机的制造成本。

在电机的不同的结构实施中，夹具可以由一根具有圆形横截面的金属丝或由一条具有矩形横截面的金属带制成。这能够使夹具的声阻更好地匹配于超声波振荡器以及能够精确地调整被驱动的元件在电机的振荡器上的压紧力。

此外在其他的电机方案中，被驱动的元件可以制成为一个具有一个扁平的表面的矩形的、三角形的、圆形的或半圆形的杆的形式。

这能够利用被驱动的元件的不同的制造技术并因此对于相应的应用能够实现需要的制造精度。

在本发明的超声波电机的另一实施形式中，被驱动的元件可以构成为一个固定的导轨，超声波振荡器与在其上设置的支架一起可以相对于该导轨移动。

这扩大本发明的电机的使用范围，因为电机可设计为一个可沿一个导轨移动的滑架的形式。

附图说明

以下借助各实施例以及附图更详细地说明本发明。其中：

图1超声波电机的一种实施形式的透视图；

图2、3电机的侧视图；

图4一块压电板形式的第一振荡器方案；

图5一个圆柱外壳的一部分的形式的第二振荡器方案；

图6振荡器支架的各实施方案；

图7被驱动的元件的各种方案；

图8具有金属带制成的支架的超声波电机；

图9具有一个圆柱外壳的一部分的形式的振荡器的电机；

图10具有两个被驱动的元件的电机；

图11具有固定的被驱动的元件的电机；

图12本发明的电机的一种示例性应用，以及

图13本发明的电机的电路。

具体实施方式

在图1、2、3中所示的本发明的超声波电机包括超声波振荡器1，它经由导声的底座3设置在一个支架2中。超声波振荡器1例如构成为一块包括一些声振动发生器5的压电板4。在压电板4处或上设置摩擦元件6，该摩擦元件与被驱动的元件8的摩擦面7处于摩擦作用。

按照本发明的电机的不同的方案，可以在压电板4上设置一个、两个或多个摩擦元件6，如由图4、位置9或10显而易见的那样。

振荡器1可以构成为一个圆柱外壳31的一部分，该圆柱外壳包括在其上设置的发生器5以及一个或两个摩擦元件6，如其在图5中所示。

声振动发生器5包括一个激励电极11、一个共同电极12以及板4的位于其间的压电陶瓷。

被驱动的元件8设置在特殊的支架13中，该支架构成为一个包围该元件的夹具或一个卡箍的形式(见图6)。

夹具13由一种导声的材料制成，例如由一种具有圆形的或矩形的横截面的金属丝、金属带制成(图6中位置14、15、16)。作为支架13的材料，可以例如采用经热处理的钢和青铜。

被驱动的元件8可以是一个具有矩形的、三角形的、圆形的、半圆形的横截面带一个平面表面的杆的形式，如其在图7中，位置17、18、19、20所示。作为用于被驱动的元件的材料，可以使用金属或陶瓷，例如经热处理的碳钢、氧化铝、氧化锆、氮化硅等材料。

支架13牢固地固定在振荡器板4的表面处或上。为此支架13的各末端21(图6)通过钎焊(图3)或借助一种固体的环氧树脂胶合剂的粘结(图8)材料锁合地固定到电极11、12上。

图9中示出一台本发明的超声波电机，它包括一个圆柱外壳31的一部分的形式的振荡器1。

图10示出本发明的电机的一种结构方案，它包括两个被驱动的元件8，它们通过一个机械桥23相互连接。

在电机的另一方案中(见图11)，被驱动的元件8可以借助一个支架24相对于机器壳体(未示出)固定设置。在该方案中，被驱动的元件构成为一个导轨25的形式。在这种情况下，振荡器1设置成与支架26一起可相对于导轨移动，待移动的元件固定在支架26上(未示出)。

在电机的另一种结构方案中，在被驱动的元件8上设置一个光学透镜27(见图12)，以便提供一个用于自动聚焦的装置，例如用于一个摄影移动电话(Photo-Mobilphone)。

图11示出本发明的电机的一个电路图，包括电激励源28。该电路包括一个用以切断电源电压的开关29以及一个用以转换被驱动的元件的运动方向的开关30。

所示的本发明的超声波电机具有以下运行方式。

在操纵开关29时(图13)，声振动发生器5的电极11、12被施以电激励源28的交流电压。交流电压的频率此时等于振荡器1的工作频率。激励电压激励发生器5，由此在振荡器中产生一个声驻波(eineakustische stehende Welle)。设置在振荡器的长端面上的并压紧到摩擦面7上的接合元件6开始振动，借此使被驱动的元件8运动。此时接合元件的运动轨迹可以是一个椭圆、一个圆或一条直线，其与端面形成一个角度。该运动轨迹的形状取决于振荡器的几何尺寸，这些几何尺寸本身决定激励的驻波的类型。

位于电极11、12表面上的各点以与其下面的振荡器板4的各点相同的振幅振动。由此高频的振动也在固定在电极11、12的支架13上传播(见图1至3)。由于支架13由一种导声的材料制成，它就构成了一个用于超声波的波导管。由于支架的特殊的弯曲的形状(见图6)，在其中不仅存在纵向振动而且存在弯曲振动。此外由于在振荡器1与支架13之间的分级式的过渡，支架的振幅产生了放大。支架13的振动导致在其与被驱动的元件之间的摩擦损耗的降低。

在具有两个摩擦元件、两个被驱动的元件8以及两个支架(图10)(图4中，位置10)的电机的方案中，在两支架中发生了摩擦力的降低。

在本发明的电机中，可以使用被驱动的元件的不同的实施形式。图7中示出了若干实施例。

振荡器1以圆柱外壳的一部分的形式(图5、图9)的实施形式便于本发明的电机在圆柱形状的仪器中、例如在物镜中的应用。

被驱动的元件8以一个导轨25的形式的实施形式使电机的结构可以作为一个在图10中所示的可移动的滑块。

本发明的电机在一个物镜(图10)或在一个其他的此类具有多个可调的透镜的光学仪器中的应用可以实现沿共同轴线径向设置每一单个的电机。这简化了整个结构并缩小了仪器的结构尺寸。

例如由铍青铜制成的支架13和由氧化铝的制成的被驱动的元件8的制造能够实现一种非磁性的线性电机的结构。

在多个样机上实施本发明的电机的功能实验。这样，以振荡器1的几何尺寸为18×8×3mm³和一个由铍青铜制造的直径为0.5mm的支架13制成一台超声波电机。作为被驱动的元件8，使用一根直径为3mm的由淬火钢制成的杆。为了激励，使用一个特别开发的交流电压为3.6V的激励源28。由电机获得的电流为0.15mA。在功能实验过程中，在位移20mm时，电机显示660000运动循环的功能持续时间。电机的功能持续时间按推算意味着约18年的使用期限。

附图标记清单

1   超声波振荡器

2   支架

3   隔声的底座

4   压电板

5   声振动发生器

6   摩擦元件

7   被驱动的元件的摩擦表面

8   被驱动的元件

9   说明振荡器1结构的图

10  说明振荡器1结构的图

11  激励电极

12  共同电极

13  被驱动的元件8的支架

14  支架13的结构方案

15  支架13的结构方案

16  支架13的结构方案

17  被驱动的元件8的结构方案

18  被驱动的元件8的结构方案

19  被驱动的元件8的结构方案

20  被驱动的元件8的结构方案

21  支架13的末端

22  钎焊锡滴

23  电桥

24  导轨25的支架

25  导轨

26  待移动的元件的支架

27  光学透镜

28  电激励源

29  开关

30  运动方向的转换开关

31  圆柱外壳的部分

Claims (4)

1.线性压电超声波电机，包括一个超声波振荡器和一个与被驱动的元件处于摩擦接触的摩擦元件，超声波振荡器的形式为一块压电板或一个压电元件及一些用于产生声振动的发生器的圆柱外壳的一部分，其特征在于，被驱动的元件(8)由一个形式为至少一个弹性夹具或卡箍的支架(13)包围接合，其中支架(13)的各末端(21)材料锁合地固定在超声波振荡器上并且支架(13)由一种导声的材料制成。

2.按照权利要求1所述的线性超声波电机，其特征在于，支架(13)由具有圆形横截面的金属丝或具有矩形横截面的金属带制成。

3.按照权利要求1或2所述的线性超声波电机，其特征在于，被驱动的元件(8)具有一种矩形的、三角形的、圆形的或半圆形的横截面的杆的形状并且具有一个平面的摩擦面(7)。

4.按照上述权利要求之一项所述的线性超声波电机，其特征在于，被驱动的元件(8)为一固定的导向元件(25)，超声波振荡器与在其上设置的支架(13)一起相对于该导向元件移动。

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