CN105027417A - 超声波电机的布置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波电机的布置，其具有：致动器机体、容纳该致动器机体的致动器保持架、致动器轴承和由致动器机体驱动的摩擦元件，其中在致动器机体与摩擦元件之间存在平面的摩擦接触，并且所述布置具有优化的倾斜轴，致动器保持架和/或摩擦元件可绕该优化的倾斜轴旋转，并且与致动器机体的重心有间隔，并且在致动器机体所接触的摩擦元件部分的方向上移动。

Description

超声波电机的布置

本发明涉及一种如权利要求1所述的超声波电机的布置。

就其基本组件而言，超声波电机具有：致动器机体，其借助电极布置以压电方式来激励在超声频率范围中的振动；以及，摩擦元件，其与致动器机体摩擦连接并且通过超声振动被移动离开致动器机体。致动器机体在这种情况下构成超声波电机的定子，摩擦元件对于旋转电机构成转子或对于直线电机构成线性移动元件。

致动器机体通过致动器保持架支撑，并且通过其它元件使其相对于摩擦元件来定位，而所述摩擦元件被相应的摩擦元件保持架支撑或定位。前述组件连同致动器保持架和致动器轴承共同构成了超声波电机的布置。在超声波电机的实际结构中，所述布置的组件，特别是用于定位致动器机体的组件，只是有限刚性的。其位置在超声波电机运行期间变化，从而使得致动器机体与摩擦元件之间的取向发生变化或波动而且并非在任何情况下都是最佳的。此外，由于所述波动产生了很强的横向于驱动方向的力。这些力又会使得致动器机体产生附加的移动并从而部分地加强了致动器机体相对于摩擦元件的不利定位。这会导致在超声波电机上产生一系列其它非期望的现象，例如运行不稳定。

这些不利影响可在一定程度上通过如下方式抵消，即将致动器机体与摩擦元件之间的接触设计得尽可能小并且在实践中是将其减少到一个点。然而，此种点接触会在致动器机体和摩擦元件之间产生很高的接触压力，并随着运行时间的增加而限制摩擦连接的质量并且主要限制了致动器机体或摩擦元件的使用寿命。

因此本发明的任务在于，提出一种超声波电机的布置，在该布置中，不可避免的仅有限刚性的结构会带来上述类型的最小的不利相互作用，或者甚至全部设置成使得实际结构的不利特征被尽量彼此消除或者甚至有效地得以加强。目的还在于，能够将致动器机体与摩擦元件之间的接触面扩大一定程度，使得致动器机体和摩擦元件的使用寿命得以增加，但是不可避免的致动器位移和与之相关的效应会被降低或至少不会受到不利影响。

该任务通过具有如权利要求1所述特征的超声波电机的布置得以实现。从属权利要求包含该装置的适当和/或有利的实施形式。

超声波电机的布置具有：致动器机体、容纳该致动器机体的致动器保持架、致动器轴承和通过致动器机体驱动的摩擦元件，其中在致动器机体与摩擦元件之间存在平面的摩擦接触。在这种情况下，该布置具有优化的倾斜轴，致动器保持架和致动器机体或摩擦元件或相应的摩擦元件保持架可绕此轴旋转。其中，优化的倾斜轴不通过致动器机体的重心，而是与致动器机体的重心有间隔，并且从所述重心出发在致动器机体所接触的摩擦元件部分的方向上移动。

在根据本发明的布置的有利实施形式中，优化的倾斜轴通过致动器机体所接触的摩擦元件部分的横截面，由此特别是在摩擦配合致动器机体-被驱动的摩擦元件方面会产生稳定性或自动对准。

根据本发明的布置的基本思想在于，利用致动器保持架和致动器机体相对于被驱动的摩擦元件的不可避免的倾斜来优化摩擦配合致动器机体-摩擦元件的对准。这一基本思想通过以下方式实现，即构造布置的致动器轴承使得对于该布置而言实现致动器机体围绕优化的倾斜轴产生倾斜，所述倾斜轴没有通过致动器机体的重心，而是向着摩擦面移动，从而使得被改变的并且通常会变短的杠杆(Hebel)产生出围绕优化的倾斜轴的横向力，而且致动器机体的惯性力矩提高。在特别有利的改进形式中，优化的倾斜轴通过摩擦元件这一部分的横截面，该部分现在与被致动器机体接触并且与之摩擦连接。在此类结构中，所产生的横向力会稳定摩擦元件的位置，下面将对此进行更加详细的说明。因此，实际上会使用不可避免产生的干扰影响来自动稳定和自动对准根据本发明的布置。

通过根据本发明所述的将旋转的致动器自由度从致动器重心向着推进方向移动，即向摩擦元件移动，会使振幅减少，但是也会明显使得速度和频率减小并从而使得非期望的致动器横向运动的内能减少。在现有技术中，对于在致动器重心的倾斜轴常规位置而言，会导致接触压力不相等这一缺点，其原因在于作用在摩擦元件上的横向力很大。特别地，当优化的倾斜轴通过摩擦元件这一部分的横截面时，所述部分现在由致动器机体所接触，在向摩擦面移动的优化的倾斜轴时不相等的接触压力会减少，其结果是合成的横向力几乎消失。结果通过根据本发明所述布置得到了相应的超声波电机，其运行稳定均匀并且致动器机体或摩擦元件具有与之相关的较高的使用寿命。由此造成了超声波电机更好可控的控制特性。

在根据本发明的实施形式中存在以下可能性，即使得致动器的旋转自由度，各自优化的倾斜轴，围绕摩擦面的垂线或法线相对于摩擦元件稍微转动几度，这样一来，驱动总体上运行得更加谐调，即更加没有振动。

上述实施形式特别涉及致动器机体或致动器保持架相对于摩擦元件的倾斜。但是根据本发明思想还包括，将摩擦元件或相应的摩擦元件保持架相对于致动器机体相应倾斜的可能性。也就是说，在致动器机体或致动器保持架与摩擦元件或摩擦元件保持架之间相应的相对运动也是至关重要的。

在一种实施形式中，致动器轴承由滑动轴承构成，其滑动面具有倾斜自由度。倾斜自由度的轴与优化的倾斜轴C或C'相同。在这种情况下，倾斜自由度是滑动轴承的唯一自由度。其它运动通过滑动轴承传递到倾斜自由度中。

在这种情况下，借助压缩弹簧有利地将滑动轴承的滑动面彼此按压。滑动轴承由此得到特定的基础刚度，其中倾斜自由度保持得足够好。同样还可设想的是，滑动轴承的滑动面通过至少一个拉力弹簧彼此按压。

在一个有利的结构中，压缩弹簧相对安装在空间固定的致动器框结构上。这时，压缩弹簧力通过致动器保持架分为法向分量和切向分量。法向分量将致动器机体压向摩擦元件，而切向分量将致动器轴承的滑动面彼此压靠。因此要确定力与力之间一定的力比值，其中一个力确保在致动器机体与摩擦元件之间的摩擦连接，另一种力确定了致动器元件绕优化的倾斜轴倾斜的程度。因此，倾斜、滑动支承和摩擦连接在这里相互补充，相互作用。

与以上实施形式有关的是，被所述布置驱动的摩擦元件为具有圆环形外轮廓的旋转的被驱动部件。

在另一种实施形式中，致动器轴承被构造成所谓的测角器轴承(Goniometer-Lagerung)。

在一种有利的改进形式中，测角器保持架包含测角器板材，其借助于开口包围致动器保持架并且安装在空间固定的致动器框架上，其中测角器板材具有使得致动器轴承绕与优化的倾斜轴走势一致的轴发生倾斜成为可能的形状。

为此，在该实施形式中通过测角器板材的弯曲刚度来实现致动器保持架轴承的刚性。将可能的自由度减少到倾斜自由度并且将倾斜轴调整为优化的倾斜轴，这是通过测角器板材的设计成形所导致的。

在一种有利的结构中，通过后部支承在空间固定的致动器框架上的弹簧布置，将致动器保持架保持在测角器板材的开口中。为此没有使用刚性紧固装置，而是只使用了夹紧装置来将致动器保持架支承在测角器板材中。这会阻止压力通过点状结构的螺钉连接进入，并由此简化了布置的结构。

在一种有利的结构形式中，通过至少两个压缩弹簧构成了弹簧布置，其中由压缩弹簧所施加压力的方向在位于致动器机体上的摩擦部件区域中交叉。由此实现了弹簧布置对致动器保持架和测角器板材的组合而且也对致动器机体、摩擦部件和摩擦元件构成的接触起定心和稳定作用。

也可能有利的是，被驱动的摩擦元件为线性驱动的摩擦元件，其优选具有平面轮廓。

在布置的有利结构中，将至少部分滑动面构造成一个或多个固体铰链(Festkorpergelenk)。

下面将借助实施例对布置进行更加详细的阐述。附图1至9用于进行阐述。相同和作用相同的组件用同一参考标记表示。

图中显示：

图1示出了具有圆形摩擦元件的致动器机体的原理图，

图2示出了图1所述布置的剖视图，所述布置具有多个可能的倾斜轴和一个优化的倾斜轴，以及优化的倾斜轴C或C'绕摩擦面法向分量的转动α，

图3示出了布置的第一实施形式的第一视图，

图4示出了布置的第一实施形式的第二视图，

图5示出了图3和图4所示布置的背面视图，

图6示出了图3至5所述具有框结构的布置的背面视图，

图7示出了前述附图所示布置的透视图，

图8示出了带有测角器板材的布置的透视图，

图9以侧视图示出了图7所示布置，

图10以前视图示出了由致动器机体和摩擦元件组成的布置的另一种实施形式，

图11以后视图示出了图10所示布置，

图12以顶视图示出了图10所示布置，

图13以透视性前视图示出了图10所示布置，

图14以透视性侧视图示出了图10所示布置。

图1以原理图示出了致动器机体1和分配给该致动器机体的，在这里为环形的摩擦元件2。致动器机体由压电材料，特别是压电陶瓷或压电晶体构成，其以单层或多层结构形式构成。此处菱形结构的致动器具有电极表面3，通过其给致动器机体施加交流电压。致动器机体在超声频率范围内振动，并且通过摩擦部件4与摩擦元件2接触。由此使摩擦元件旋转运动。

图2示出了如图1所示布置沿切割线A-A的剖视图。由致动器机体1和摩擦元件2构成的布置最理想的是在一个平面上。但是如已示出的那样，致动器机体1的支承座可以构造成仅具有有限的刚度。由于这个原因，致动器机体1实现了倾斜运动，从而离开致动器机体1和摩擦元件2共同的平面。这种倾斜运动可绕不同的倾斜轴进行。图2示出了这些倾斜轴中的几个。对于倾斜轴A，其基本上相当于致动器重心，致动器机体1绕其本身的纵轴倾斜。这种类型的倾斜极其不利，因为在所述情况下会有力作用在摩擦元件2上，所述力驱动摩擦元件离开致动器机体1和摩擦元件2共同的平面，这样一来额外增强了致动器机体1的倾斜运动。通过绕轴A的倾斜运动触发的、对摩擦元件运行的干扰由此得到加强，并且由致动器机体1和摩擦元件2构成的布置最终会不稳定。

绕轴B中的一个轴或绕这些轴中的两个轴进行的倾斜运动与以下倾斜运动一致，即在该倾斜运动中，致动器机体1在一侧从致动器机体1和摩擦元件2共同的平面中旋转出来，并且在这种情况下至少部分被摩擦元件2抬高，或者在致动器机体1中交替地在两侧以振荡方式从致动器机体1和摩擦元件2共同的平面中旋转出来。在第一种情况下，可产生具有恒定横向力的稳定的平衡，而在第二种情况下不会产生稳定的平衡，由于这个原因，致动器机体1的振动不可控，所述振动会导致驱动力明显减少且会有很大的运行噪声，该噪声可感知为吱吱声。

当倾斜轴从倾斜轴A的位置在C'方向上移动时，即往摩擦部件4方向上被移动时，由此得到绕倾斜轴的非期望横向力的相应变短的杠杆，以及致动器的被提高的惯性力矩。其结果是，非期望的致动器横向运动的振幅、速度或频率会明显减少，这会导致相应的电机运行平稳且谐调。

绕倾斜轴C的倾斜是特别有利的，因为由此得到了根据本发明所述布置的自我稳定对准。根据图2，倾斜轴C垂直于摩擦元件2一部分的横截面，其现在与致动器机体1机械连接或摩擦接触。当致动器机体1绕轴C倾斜时，摩擦元件的位置非常稳定。在这种情况下，致动器机体1从各个不同的倾斜位置总是在位置稳定的倾斜轴C方向上作用并且此外与摩擦元件2依然保持接触。

倾斜轴C或C'的优化位置会导致围绕所选择的倾斜轴的横向力的杠杆发生改变，并且通常会变短。在摩擦部件4表面方向上的剩余力会使得布置稳定，并且使得在这种意义上实现的超声波电机稳定，从而导致运行损耗低且控制特性明显改善。

根据本发明的布置和相应驱动的进一步改进形式实现的方式是，使优化的倾斜轴C或C'围绕摩擦面的法线稍微转动几度，即围绕在致动器机体与摩擦元件之间的接触面的法线稍微转动几度，这在图2中原则上用箭头和角度α示出。

图3示出了具有优化和自我稳定的倾斜轴C的布置的第一实施形式。这里示出的布置是图1示出的、由棱形的致动器机体和环形的摩擦元件构成的基本原理的实现。致动器机体1在这里被致动器保持架5围绕，该致动器保持架包围致动器机体并在多个锁止位置5a将其形状配合地固定在致动器保持架内的位置上。致动器保持架构成机械的装置，通过其来保持致动器机体并在所述布置内对致动器机体进行固定和调整。

致动器保持架和致动器机体的固定和调整在此情况下一方面通过具有多个滑动面7的滑动轴承6来实现，并且另一方面通过压缩弹簧8来实现。滑动轴承的滑动面以如下方式构造，使得其有可能使得引导通过其中的致动器保持架围绕同样在这里示出的优化倾斜轴C倾斜。作为此类组件的滑动轴承没有设计附加的紧固装置。致动器保持架5通过相应的配合端面9形状配合地置于滑动轴承的滑动面上。这种形状配合的座通过压缩弹簧8产生的压紧力来稳定。为此，压缩弹簧8被从后安装在这里未被示出的致动器框架上。

图4示出了压缩弹簧8所施加的压力的力分布。由弹簧产生的压力F作用在致动器保持架5上的力传感器10上。所述力传感器相对于由摩擦元件2上的摩擦部件4的支承面所定义的摩擦平面E具有平移角α。由于该平移角，将由压缩弹簧8所施加的压力F分成切向分量T和法向分量N。切向分量T将致动器保持架5压靠滑动轴承6的滑动面7，且在那里产生在致动器保持架的配合端面9与滑动轴承6的滑动面7之间的形状配合连接。法向分量N将致动器保持架5并从而将致动器机体1的摩擦部件4往摩擦元件2的方向上按压，从而使得摩擦部件与摩擦元件之间产生必要的摩擦连接。在优化的倾斜轴C的延长部分中，滑动轴承的位置确保了根据本发明的布置的倾斜轴的最佳位置。该位置在任何情况下均位于摩擦平面E下方，并从而位于根据本发明的最佳区域。

图5示出了从背面看的、图3和4所示的布置。在致动器保持架5上的力传感器10具有接触面11，其用于向后滑动安装到在这里未被示出的后壁上。这样一来，力传感器获得了稳定的引导，其中由压缩弹簧8产生的力的方向用清楚定义的方式作用在力传感器上并从那里用已描述的方式通过致动器保持架来转换。

图6示出了所述布置的已描述的元件与框结构12。所述框结构在这里以透明方式示出。根据本发明的布置的实际实现涉及的是足够稳定的薄板，该薄板由塑料、金属或具有可比刚性的材料制成，该薄板在相应的位置配有凹槽13。其中一个凹槽被用作压缩弹簧8的配对轴承，第二凹槽被部分地用作附加的导向装置，其用于布置在致动器保持架5上的配合端面9并从而与滑动轴承6共同作用。框结构12以这里未被示出的方式静止固定，并从而将所述布置与这里未被示出的外部装置连接起来。

图7以透视性整体图示出了前述布置。这里省略了带有滑动面7的滑动轴承6。在这里可以看到致动器保持架5和致动器机体1上的配合端面9。摩擦平面E也同样示出。该摩擦平面是摩擦元件的切向平面，该切向平面通过摩擦部件4与摩擦元件2的接触点。最佳的倾斜轴C在这里未被示出。其在摩擦平面E下方延伸。

图8示出了根据本发明的另一种布置，其适用于线性的驱动器，其中相应的致动器轴承为测角器轴承。所述布置包括在这里同样为棱形的、带有摩擦部件4的致动器机体1。该致动器机体也由致动器保持架5所围绕。致动器保持架位于致动器框架14中。所述致动器框架有利地为金属或塑料材质的硬质组件。致动器框架14一方面用作两个压缩弹簧8的配对轴承，这些压缩弹簧支撑致动器保持架5倚靠着致动器框架。在另一方面，借助螺钉连接15a将所谓的测角器板材15固定在致动器框架14上。测角器板材具有至少一个开口16，所述开口容纳为此设置的致动器保持架5的一部分并且将其包围。为此，用压缩弹簧8将致动器保持架压进测角器板材15的开口16中，其中将致动器框架14作为配对轴承，并且用这种方式将致动器保持架安装在致动器框架与测角器板材之间。

在图8所示实施例中，压缩弹簧8的轴彼此倾斜。为此，连同测角器板材15中的开口16，使得能够防止位移地安装所述致动器保持架。在这种情况下，这些压缩弹簧8的纵向轴在摩擦部件4的区域中相交。为此由压缩弹簧产生的压力集中作用在摩擦部件上，特别是作用在其相对于摩擦元件的接触表面上并从而得到与摩擦元件的最佳摩擦连接。

图9以根据图8所示装置的放大侧视图示出了测角器板材15的结构。测角器板材具有锥形侧翼(Flanken)17，其方向相交于虚点C。该点位于被驱动的摩擦元件2的横截面内。通过该点的、垂直于纸平面的轴与所述布置的优化的倾斜轴相一致。为此，测角器板材确定侧向倾斜运动的自由度，使得其倾斜轴与优化倾斜轴C一致。

图10以前视图示出了由致动器机体和摩擦元件构成的布置的另一种实施形式。该实施形式利用了根据前述实施例的致动器机体1。其具有已述电极表面3并且被包围在致动器保持架5中。致动器保持架5与弹簧框架19连接，该弹簧框架在此实施形式中为致动器保持架提供弹性支撑。弹簧框架19包括多个孔20，其用于将整个布置固定在总体装置中。

弹簧框架19和致动器保持架5彼此啮合。为此，一方面设置了从弹簧框架19向前引导的夹紧部分21。该夹紧部分啮合到为此设置的致动器保持架凹槽22中并且将致动器框架往弹簧框架方向上按压。此外，支承框架的向前引导的夹紧部分21被位于其下的致动器保持架的成形部23所包围。部件21、22和23整体上构成在弹簧框架中致动器保持架的锁止机构。

图11以后视图示出了所述布置。该图示出了弹簧框架19和在这里被部分隐藏的致动器保持架5。夹紧部分21通过弯曲的支架25与弹簧框架19连接。弹簧框架19另外通过翼状结构的支撑舌26向后保护致动器保持架5。

图12以顶视图示出了根据图10和图11的布置。弹簧框架19在本图中为薄板。其前面为致动器保持架5。在弹簧框架19与致动器保持架5之间设置了滑动轴承19a，其上支撑了在弹簧框架处的致动器保持架。在弯曲的支架25上，弹簧框架19通过弯曲部19b过渡到夹紧部分21，其围绕致动器保持架5向左和向右延伸，此处啮合进凹槽22中并且将致动器保持架往弹簧框架方向上按压。

图13以透视性前视图示出了根据图10的布置。其中示出了弹簧框架19，在其前面的带有致动器机体1的致动器保持架5以及在致动器保持架上的凹槽22并且连同成形部23和那里啮合的夹紧部分21。

图14以透视性后视图示出了根据图10的布置。这里还示出了弹簧框架19，其通过弯曲的支架25过渡到夹紧部分21中。这里能很好识别出的是，夹紧部分21啮合到致动器保持架5的凹槽22中。

为此，弹簧框架19在根据图10至13所示实施形式中实现了根据图8和9所示的测角器板材15的功能。在此情况下，夹紧部分21连同在致动器保持架上的凹槽22提供了防止位移的支承的作用，其中倾斜轴按照前述实施例中普遍使用的方式布置在这里。

借助实施例对根据本发明的装置进行阐述。其它实施形式根据从属权利要求进行阐述。

参考标记列表

1         致动器机体

2         摩擦元件

3         电极表面

4         摩擦部件

5         致动器保持架

5a        锁止位置

6         滑动轴承

7         压缩弹簧

9         配合端面

10        力传感器

11        接触面

12        框结构

13        凹槽

14        致动器框架

15        测角器板材

15a       螺钉连接

16        开口

17        锥形侧翼

19        弹簧框架

19a       滑动轴承

19b       弯曲部

20        孔

21        夹紧部分

22        凹槽

23        成形部

25        支架

26        支撑舌

α        压缩弹簧的攻角(Anstellwinkel)

A         第一可能的倾斜轴

B         第二可能的倾斜轴

C         优化的倾斜轴

E         摩擦平面

F         压力

N         法向分量

T         切向分量

Claims (12)

1.一种超声波电机的布置，具有：致动器机体(1)、容纳所述致动器机体(1)的致动器保持架(5)、致动器轴承和由致动器机体驱动的摩擦元件(2)，其中在所述致动器机体与摩擦元件之间存在平面的摩擦接触，并且所述布置具有优化的倾斜轴(C；C')，所述致动器保持架或摩擦元件能够绕所述优化的倾斜轴旋转并与所述致动器机体的重心有间隔，并且在所述致动器机体(1)所接触的所述摩擦元件(2)的部分的方向上移动。

2.如权利要求1所述的布置，其特征在于，优化的倾斜轴(C)通过所述致动器机体(1)所接触的被驱动的摩擦元件(2)的部分的横截面，从而产生自身稳定的布置的对准。

3.如权利要求1或2所述的布置，其特征在于，所述致动器轴承由滑动轴承(6)构成，所述滑动轴承(6)的滑动面(7)具有倾斜自由度，所述倾斜自由度的轴与优化的倾斜轴(C；C')相同。

4.如权利要求3所述的布置，其特征在于，所述滑动轴承(6)的滑动面(7)借助于至少一个压缩弹簧或拉力弹簧(8)彼此按压。

5.如前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，所述压缩弹簧(8)相对地安装在空间固定的致动器框结构(12)上，其中压缩弹簧力通过所述致动器保持架(5)分成法向分量和切向分量，其中所述法向分量(N)将所述致动器机体(1)按压在所述摩擦元件(2)上，而所述切向分量(T)将滑动面(9)按压在所述致动器轴承(6)的滑动面(7)上。

6.如前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，被驱动的摩擦元件(2)为具有圆环形外轮廓的旋转的被驱动元件。

7.如权利要求1或2所述的布置，其特征在于，所述致动器轴承被构造成测角器轴承，所述测角器轴承使得所述致动器轴承绕与所述优化的倾斜轴(C；C')走势一致的轴发生倾斜成为可能。

8.如权利要求7所述的布置，其特征在于，所述测角器轴承包括测角器板材(15)，所述测角器板材借助于开口(16)包围致动器保持架(5)并且安装在空间固定的致动器框架(14)上。

9.如权利要求8所述的布置，其特征在于，所述致动器保持架(5)通过后部支承在空间固定的所述致动器框架(14)上的弹簧布置而保持在所述测角器板材的开口(16)中。

10.如权利要求8或9中任一项所述的布置，其特征在于，弹簧布置通过至少两个压缩弹簧(8)构成，其中压缩弹簧所施加压力的方向在位于所述致动器机体(1)上的摩擦部件(4)的区域中相交。

11.如前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，由所述致动器机体驱动的摩擦元件为线性驱动的摩擦元件。

12.如前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，至少一部分滑动面(7)被构造成固体铰链。