CN105324928B

CN105324928B - 超声电机

Info

Publication number: CN105324928B
Application number: CN201480028519.9A
Authority: CN
Inventors: 瓦拉迪米尔·维施纽斯基; 阿列克谢·维施纽斯基
Original assignee: Physical Equipment Pi Lianghe Co
Current assignee: Physical Equipment Pi Lianghe Co
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2018-07-31
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: US20150229240A1; US9461563B2; CN105324928A; DE102013105024B3; EP2845305A1; EP2845305B1; WO2014183761A1

Abstract

本发明涉及一种超声电机，包括压电中空圆筒(2)形式的超声执行器(1)，其中摩擦元件(3)设置于其端面(4)中的至少一个上；并包括与摩擦元件有效接触的转子(6)，以及电激励装置，其中超声执行器在圆周方向上细分成偶数个扇区Sa和Sb，其具有在圆周方向上的平均长度L、在轴向方向上的高度H和在径向方向上的厚度T，并且扇区形成第一扇区组A和第二扇区组B，其中两个扇区组的扇区Sa和Sb在圆周方向上交替并彼此相邻，并且摩擦元件(3)布置于邻近节段的相邻区域中。对本发明必要的是，各扇区Sa和Sb由激励电极和普通电极形成，激励电极和普通电极在中空圆筒轴向方向上交替地布置，其中压电材料层布置于邻近激励电极和普通电极之间，并且超声执行器的所有激励电极和所有普通电极彼此电连接。

Description

超声电机

技术领域

本发明涉及根据权利要求1至11所述的超声电机。

背景技术

根据现有技术，根据参考文献US 6,765,335 B1或US 7,218,031 B2，用于旋转驱动的超声电机例如为已知的，其中超声执行器形成为压电中空圆筒，和其中电极设置于其圆周表面上并且摩擦元件设置于其端面上。

在这些超声电机的情况下，偏振矢量以及电激励场E的矢量均径向地布置并因而垂直于压电圆筒的轴向方向。因此，超声执行器在轴向方向上所产生的动态力Fad和超声执行器在切向方向上所产生的动态力Ftd通过相同压电模块d31确定。在限制情况中，这些力可大小相等。

这些超声电机的驱动原理基于将超声执行器所产生的力经由超声执行器和转子之间存在的有效接触或摩擦接触传送至转子。基于该驱动原理，关于摩擦接触的摩擦力Ffk必须始终大于动态力Ftd的大小。如果这个条件不成立，那么在超声执行器和转子之间存在不理想的打滑，这导致超声电机的功能退化或甚至为失效。

由于超声执行器和转子之间的摩擦接触的摩擦力通过接触材料的摩擦系数Kf和接触压力Fa确定。对于最新的硬质耐磨材料，该系数为约0.2-0.3。为确保摩擦接触的线性工作范围，必须保持条件Ffk＝Kf×Fa。这意味着超声电机的摩擦接触必须包括摩擦力Ffk，并且摩擦元件通过力Fa＝Ffk/0.2–0.3被按压至转子的摩擦表面。因此，摩擦压力Fa必须为大于力Ftd的大小的约3-5倍。接触压力Fa包括静态接触压力Fas和动态接触压力Fad，其中力Fas由弹簧产生。对于摩擦接触的最佳功能，静态接触压力Fas必须等于动态接触压力Fad的大小。

在根据现有技术已知的超声电机中，执行器形成作用于轴向方向上的力Fad和作用于切向方向上的力Ftd两者。这可通过这样的事实来解释，这两种力通过相同压电模块d31确定。因此，在这些电机中，接触压力Fa的大小可仅大于力Ftd的大小的两倍。

因此，摩擦接触中的摩擦力Ffk也被限制并且连同通过超声电机可获得的最大力也被限制，使得利用根据现有技术已知的超声电机，有可能以压电参数产生名义上可获得的最大力。

此外，在高负荷下，这些超声电机的摩擦接触会产生极高的机械损耗(打滑)。

除此之外，此类电机需要较高的激励电压，由此执行器中的损耗增加。

所有这些效应一起导致执行器的发热和最大操作温度的相应降低。总而言之，根据现有技术已知，根据参考文献US 6,765,335 B1或US 7,218,031 B2，超声电机表现出较低效率。

发明概述

因此，本发明的目标是提供一种超声电机，该超声电机克服根据上文所述及的现有技术的超声电机的缺点，并且具体地提供一种具有高效用或高效率的超声电机。

本发明的目标的解决方案通过根据权利要求1所述的超声电机实现，其中随后的从属权利要求包括至少有利实施例和其它开发。

因此，这基于超声电机，该超声电机包括压电中空圆筒形式的超声执行器，该压电中空圆筒具有内圆周表面和外圆周表面和端面，该端面互连内圆周表面和外圆周表面，其中摩擦元件设置于至少一个端面上。此外，超声电机包括与摩擦元件有效接触的转子，该转子包括至少一个圆盘或平台，以及电激励装置。

超声执行器沿其圆周或在圆周方向上细分成偶数个扇区Sa和Sb，其中每个扇区由其几何尺寸L、H和T表征。L表示扇区的平均长度，即在中空圆筒于外圆周和内圆周之间的中部的圆周方向上的平均长度。H表示扇区在中空圆筒的纵向或旋转轴方向(轴向方向)上的高度，并且T表示扇区的厚度，即，在径向方向上内圆周表面和外圆周表面之间的距离。因此，平均长度L为扇区在一半厚度T(即，T/2)处在圆周方向上的长度。所有扇区Sa一起形成扇区组A，而所有扇区Sb一起形成扇区组B。每个扇区Sa在圆周方向上相对的两侧结合两个扇区Sb，并且每个扇区Sb以相同方式结合两个扇区Sa，使得两个扇区组A和B的扇区Sa和Sb在圆周方向上彼此交替并结合。在两个邻近扇区Sa和Sb之间的限制表面的范围内，即，在邻近扇区的相邻的范围内，布置有摩擦元件。

对本发明必要的是，扇区Sa和Sb中的每一个由激励电极和普通电极形成，该激励电极和普通电极在中空圆筒的轴向方向上交替地布置，其中压电材料层布置于相邻激励电极和普通电极之间，并且超声执行器的所有激励电极和所有普通电极彼此电连接。

由于经由电激励装置施加至激励电极和普通电极的电压，电场E在它们之间形成，其中电场E的矢量与超声执行器的纵向轴或旋转轴的方向一致。由于反向压电效应，电场E在纵向轴或旋转轴的方向上产生力Fad，并且在切向方向上产生力Ftd。

力Fad包括静态接触压力Fas，由此形成将摩擦元件按压至转子的力Fa。力Fa与摩擦接触的弹性力Fs相反地作用。力Ftd引起转子与力Fr相反地移动。

与理论相符，压电力Fad与压电模块d33成比例，并且力Ftd与压电模块d31成比例。

利用硬PZT陶瓷，d33/d31的比率在2.5和3之间的范围内。这意味着本发明的超声电机的执行器1形成在轴向方向上(即，沿着纵向轴或旋转轴)作用的动态力Fad，该动态力Fad大于在切向方向上所形成的力Ftd的2.5至3倍。

根据摩擦接触的最佳功能的条件，根据静态接触压力Fas必须等于动态力Fad的大小，可得出在这种情况下，整个接触压力必须等于动态接触压力Fad的大小的2倍。这意味着，当在本发明的电极中保持该条件时，接触压力Fa为5-6倍的Ftd。即，当将电压施加至激励电极和普通电极时，接触压力Fa(大于切向力Ftd的大小的5至6倍)在根据本发明的超声电机的摩擦接触中产生。

根据上述说明，本发明的超声电机的摩擦接触通过摩擦接触中的摩擦力Ffk来表征，该摩擦力Ffk大于根据上文所提及的参考文献US 6,765,335 B2和US 7,218,031 B2的现有技术的电机的真实值的2.5至3倍。这使其形成相比于根据US 6,765,335 B2或US 7,218,031 B2的超声电机的远远更大的最大力，并且高张力下摩擦接触内的打滑被大幅减少或甚至避免。总而言之，结果为一种超声电机，该超声电机具有高张力和同事低损耗以及因而低自加热。

在下文中，措辞“中空圆筒”和“圆筒”、“超声执行器”和“执行器”，以及“超声电机”和“电机”同义地使用。

有利的是，激励电极和普通电极以及布置于一组扇区中扇区的激励电极和普通电极之间的压电材料层形成声学纵驻波的发生器；并且因此，这些所形成的发生器以这样的方式可电驱动：第一纵驻波沿着超声执行器的母线而扩展并且第二声学纵驻波沿着超声执行器的高度而扩展。沿着超声执行器的母线的扩展在此处和在下文中应以纵向驻波在圆周方向上扩展的意义进行理解。

此外，有利的是，激励电极和普通电极以及布置于一组扇区中扇区的邻近激励电极和普通电极之间的相应压电材料层形成声学非对称驻波的发生器；并且因此，这些所形成的发生器以这样的方式可电驱动：声学非对称驻波沿着超声执行器的母线而扩展。

此外，有利的是，L对H的比率在1和1.3之间，并且H对T的比率在2和20之间。这导致一种超声电机，该超声电机可特别有效地操作。

还有利的是，转子包括阻尼元件，该阻尼元件减小转子的寄生振动的幅度。

此外，可有利的是，电激励装置提供了单相激励电压，并且电激励装置包括用于将单相激励电压施加至第一组或第二组的激励电极和普通电极的换向器，以用于使转子的旋转方向反向。

此外，有利的是，电激励装置提供了一种两相电压，其中所提供的电压U1和U2中的一个被施加至扇区组的激励电极和普通电极，并且所提供的这些电压中的另一个被施加至另一扇区组的激励电极和普通电极，并且电激励装置包括用于所提供的电压U1和U2之间相移的换向器，以用于使转子的旋转方向反向。

此外，有利的是，具有介电常数Lk的补偿线圈(其部分地或完全地补偿一个扇区组或两个扇区组的电极电流的电容分量)与一个扇区组的激励电极和普通电极并联或与两个扇区组的激励电极和普通电极并联。

还可有利的是，电激励装置包括反馈元件，该反馈元件与扇区组之一的电极串联。

在此，可特别有利的是，电激励装置包括反馈电路，该反馈电路用于在反馈元件的相位信号之后控制激励电压的频率。

此外，可有利的是，超声电机包括转子的位置或速度指示器和转子的位置和速度的控制器。

超声电机的其它有利实施例得自权利要求书、说明书和图中所公开特征的组合。

附图说明

图1：根据本发明的超声电机的分解图。

图2：标记17：根据本发明的超声电机的超声执行器的三维视图；标记18：根据标记17的超声执行器的俯视图。

图3：标记19：在一个端面处具有摩擦元件的根据本发明的超声电机的超声执行器的一部分的三维视图；标记20：在两个端面处具有摩擦元件的根据本发明的超声电机的超声执行器的一部分的三维视图。

图4：标记21至26：其上布置有不同数量的摩擦元件的根据本发明的超声电机的超声执行器的俯视图。

图5：标记27：三维视图中根据本发明的超声电机的超声执行器的扇区的内部构造；标记28：侧视图中根据标记27的并表示电连接的扇区的内部构造。

图6：标记40：根据本发明的超声电机的超声执行器的三维视图；标记41：形成为圆形环片段的根据标记40的超声执行器的激励电极的层的俯视图；标记42：根据标记40的超声执行器的分解图。

图7：标记43：根据本发明的超声电机的超声执行器的三维视图；标记46：根据标记43的超声执行器的激励电极的层的俯视图；标记47：根据标记43的超声执行器的分解图。

图8：形式为超声执行器的展开表面节段，根据本发明的超声电机的超声执行器的电极的电接触的一个实施例的标记。

图9：形式为超声执行器的展开表面节段，根据本发明的超声电机的超声执行器的电极的电接触的另一个实施例的标记。

图10：标记49和50：用于使超声执行器的扇区Sa和Sb的激励电极和普通电极与根据本发明的超声电机的电激励装置连接的电路的不同实施例；标记55至57：根据本发明的超声电机的摩擦元件的点的不同可能移动路径。

图11：标记59至62：在其单相激励和激励电压的某一频率的情况下具有特定尺寸的根据本发明的超声电机的未加负载超声执行器的最大变形的四个相。

图12：标记63和64：摩擦元件和转子之间在不同时间点的啮合或接触条件；标记65：根据标记64的啮合比率作用于摩擦元件和转子之间的力的阐明。

图13：根据本发明的超声电机的分解图。

图14：根据本发明的超声电机的另一个实施例。

图15：根据本发明的超声电机的单相电激励装置的框图。

图16：根据本发明的超声电机的两相电激励装置的框图。

图17：有关根据本发明的超声电机的框图，包括转子的位置和速度的控制器上的转子的位置或速度指示器。

具体实施方式

图1以分解图阐明了根据本发明的超声电机的一个可能实施例的结构。

其包括形成为压电中空圆筒2的超声执行器1。在超声执行器的一个端面4处，以相等圆周距离布置有三个摩擦元件3。借助弹簧5将转子6按压抵着摩擦元件3，其中转子形成为连接至轴8的多部件圆盘7。

多部件圆盘7包括安装件9、摩擦导轨10和阻尼元件11，阻尼元件11位于安装件9和摩擦导轨10之间。阻尼元件11形成为弹性粘结剂。除此之外，可想象的是将阻尼元件执行例如作为橡胶环或作为富集有固体颗粒的粘性层。摩擦导轨10由基于Al₂O₃的氧化陶瓷组成，其中ZrO₂作为添加物。其它氧化陶瓷或其它硬质耐磨材料(诸如非氧化陶瓷，例如碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化铝、氮化硼等)对于这点同样为可想象的。

超声执行器设置于安装件12中。通过其第二端面13(未设置摩擦元件)，执行器1在隔音基部15上自支撑。安装件12包括滚珠轴承16，轴8在滚珠轴承16中转动。转子6由保持元件14保持。

根据图2，压电圆筒2可通过轴向-径向平面(在此，例如通过三个轴向-径向平面D1、D2和D3)细分成偶数个相等扇区(中空圆筒片段)Sa和Sb，其中所有扇区Sa形成扇区组A并且所有扇区Sb形成扇区组B。扇区Sa和扇区Sb沿着中空柱形超声执行器的圆周交替地布置并彼此相邻。

轴向-径向平面D1、D2和D3通过圆筒2的纵向或旋转轴和其参数中的一者形成。措辞“扇区Sa和Sb的相等性”应理解为意指轴向-径向平面D1、D2和D3将圆筒以相同圆周角度α分成扇区Sa和Sn。

划分执行器1的圆筒2的轴向-径向平面的数量可根据意愿选择，例如n。

图3的标记19示出了中空柱形超声执行器1的一部分，其中中空柱形超声执行器1被细分成n个轴向-径向平面。扇区Sa和Sb对此类超声执行器的(圆周)角度α为360/2n＝180/n。

在根据本发明的超声电机的超声执行器1中，压电中空圆筒2包括母线Q。中空柱形超声执行器或其扇区Sa或Sb的其它几何尺寸为：扇区Sa或Sb的平均长度L、在纵向或旋转轴O的方向上的高度H，和在径向方向上的壁厚T。平均长度L在此为扇区在位置T/2处在圆周方向上的长度。因此，母线Q的长度为所有扇区Sa和Sb的长度之和，即Q＝nL。

摩擦元件3在两个邻接扇区Sa和Sb(扇区对)的边界范围内(即)相对于由相应轴向-径向平面D分离的扇区对而对称地布置于圆筒2的端面4上。

根据图3的标记20，摩擦元件3也可布置于超声执行器2的两个端面4上。

在标记21至26中，在俯视图中示出了超声执行器，该超声执行器包括两个、三个、四个、五个、六个和七个摩擦元件3。在此，摩擦元件由氧化陶瓷Al₂O₃制成，但也可由其它硬的和非磨耗材料制成，例如由氧化陶瓷ZrO₂或非氧化陶瓷(诸如SiC或Si₃N₄)制成。然而，它们也可由固体单晶体制成，诸如，例如蓝宝石、红宝石、金刚砂。此外，它们也可由基于碳化钨、碳化钛和类似物的金属陶瓷制成。此外，摩擦元件可由不同种类的硬聚合物材料制得，并且可填充有硬质耐磨颗粒，诸如，例如氧化铝、氧化锆、碳化钨、碳化硅和类似物。

根据图5，每个扇区组A和B的每个扇区Sa或Sb包括激励电极29和普通电极30的层，这些层在轴向方向上交替地布置，其中一个压电陶瓷层31布置于每个相邻激励电极29和普通电极30之间。

激励电极29的层在此由片段32形成，并且普通电极30的层由片段33形成。

电极29、30的层包括具有10和150微米之间的厚度的钯层。然而，同等可想象的是，电极29、30的层包括薄钯-银层或薄铜层。压电陶瓷层31包括具有30和150微米之间的厚度的硬PZT压电陶瓷。超声执行器的制备在此藉由压电陶瓷多层技术来实现，然而，通过压电陶瓷在空气或在保护气体中的合成的制备为同等可能的。

在每个扇区Sa和Sb中，层29、30、31布置成垂直(即，以90°的角度)于圆筒2的纵向或旋转轴O，并因而平行于该圆筒的端面4、13。

压电陶瓷层31成垂直于电极29、30(在图5的标记28中，通过具有标记p的箭头来表征)进行偏振。利用此类偏振，偏振矢量p指向成平行于圆筒2的纵向或旋转轴并垂直于其端面4、13。

属于扇区组A的扇区Sa的激励电极29的所有层彼此电连接。同样地，属于扇区组B的扇区Sb的激励电极29的所有层彼此电连接。此外，扇区组A和B的扇区Sa和扇区Sb的普通电极30的所有层彼此电连接。

在此，在每个扇区Sa和Sb中，激励电极的所有层藉由导电轨道34和35并以连接部36和37彼此连接，并且普通电极的所有层借助导电轨道38并以连接部39彼此连接。

利用电极的这种类型的连接部，下述两种限制情况是可想象的：

在第一情况中，激励电极29连同普通电极30以及属于扇区组A中所有扇区Sa之间的压电陶瓷层31形成第一组合发生器，该第一组合发生器用于沿着超声执行器1的压电圆筒2的母线Q而扩展的声学纵驻波(即，声学纵驻波在圆周方向上扩展)；和用于沿着超声执行器1的压电圆筒2的高度H或高度扩展部而扩展的声学纵驻波。激励电极29连同普通电极30以及属于扇区组B中所有扇区Sb之间的压电陶瓷层31形成第二组合发生器，该第二组合发生器用于沿着超声执行器1的压电圆筒2的母线Q而扩展或在圆周方向上扩展的声学纵驻波；和用于沿着超声执行器1的压电圆筒2的高度H扩展或在高度方向上扩展的声学纵驻波。

在第二情况中，激励电极29连同普通电极30以及属于扇区组A中所有扇区Sa之间的压电陶瓷层31形成第一发生器，该第一发生器用于沿着超声执行器1的压电圆筒2的母线Q扩展的非对称声学纵驻波。激励电极29连同普通电极30以及属于扇区组B中所有扇区Sb之间的压电陶瓷层31形成第二发生器，该第二发生器用于沿着超声执行器1的压电圆筒2的母线Q扩展的非对称声学纵驻波。

根据图6的标记41，根据图6的标记40的中空柱形超声执行器的激励电极29形成为片段32并且根据标记42的普通电极30形成为环，这些环横穿两个扇区组A和B的所有扇区Sa和Sb。

根据图7的标记46，根据标记43的中空柱形超声执行器的激励电极29形成为片段32，该片段32与导电轨道44和45连接。轨道44将扇区Sa的电极29彼此连接，而轨道45将扇区Sb的电极29彼此连接。

根据图8，其中示意性地示出了在其上具有电极29、30的根据本发明的超声电机的超声执行器的展开表面的一部分，扇区组A的扇区Sa的所有激励电极29与导电轨道34经由连接部36连接至扇区组A的电极的输出46，而扇区组B的扇区Sb的所有激励电极29与导电轨道35经由连接部37连接至扇区组B的电极的输出47。所有普通电极30与导电轨道38经由连接部39连接至扇区组A和B的输出48。

根据图9，其中示意性地示出了在其上具有电极29、30的根据本发明的超声电机的超声执行器的另一个实施例的展开表面的一部分，扇区组A的扇区Sa的所有激励电极29与导电轨道34经由连接部36连接至扇区组A的电极的输出46。扇区组B的扇区Sb的所有激励电极29与导电轨道45经由连接部37连接至扇区组B的输出47，并且所有普通电极30与导电轨道38经由连接部38连接至扇区组A和B的输出48。

图10的标记49和50示出了用于将扇区Sa和Sb的激励电极29和普通电极30与电激励装置51或52连接的不同电路变体。

电激励装置51在此提供了单相电压U1。该电压借助换向器53施加至扇区组A的所有扇区Sa的电极29和30或施加至扇区组B的扇区Sb的电极29和30。

另一方面，电激励装置52提供了在电压U1、U2之间具有相移(phase shift)φ的两相电压U1、U2。电压U1施加至扇区组A的所有扇区Sa的电极29、30。电压U2施加至扇区组B的所有扇区Sb的电极29、30。

电激励装置52包括相换向器54，该相换向器54可用于将相移从正φ变更为负φ。

电压U1、U2可包括正弦形、三角形、锯齿形、矩形或任何其它形状，其中这些电压的第一谐波的频率f0对应于沿着执行器1的压电圆筒2的母线Q扩展的声学纵驻波频率，并且频率f0对应于沿着执行器1的压电圆筒2的高度H扩展的声学纵驻波频率。

此外，频率f0可对应于沿着转子1的压电圆筒的母线Q扩展的非对称声学纵驻波的频率。

当将激励电压U1施加至激励电极29并施加至扇区Sa和Sb的普通电极30时，声学波的第一或第二发生器被激活。发生器可用换向器53进行切换。

对于执行器1的功能，两种限制情况是可想象的。这些原理在下文针对无振动的执行器1来考虑：

在第一情况中，执行器1中的电压U1同时产生两个对称声波，即，沿着压电圆筒2的母线Q扩展的声学纵驻波和沿着压电圆筒2的高度H扩展的声学纵驻波。在这种情况下，第一和第二发生器类似于两种类型的声波的组合发生器而操作。

由于两种类型的声波的重叠，布置于摩擦元件3的摩擦表面上的点58在由根据图10的标记55的虚线所示的椭圆移动轨道上移动。当换向器53被激活时，点58的移动方向反向。这改变了转子6的移动方向。

在第二种情况下，执行器1中的电压U1产生非对称声波，该非对称声波沿着压电圆筒2的母线Q扩展。通过该波的传播，布置于摩擦元件3的摩擦表面上的点58沿着倾斜线性移动轨道(通过根据图10的标记56的虚线所示)移动，或在所拉伸的椭圆移动轨道上移动。当换向器53被激活时，使移动轨道朝向摩擦元件3的摩擦表面的倾斜反向。

一个或其它功能原理的选择可受选择L/H的对应比率或对应频率f0的影响。

在执行器1的两相激励的情况下，两个激励电压U1和U2同时施加至扇区Sa和Sb的激励电极29和普通电极30。因此，声波的第一和第二发生器被同时激活。这种类型的激活实现了点58的椭圆移动轨道的任何所需形状和任何所需倾斜，通过图10的标记57的虚线阐明。移动轨道的形状和倾斜的变化可通过改变电压U1、U2的大小和相移角度φ而形成。通过激活换向器54，有可能将相移角度从正φ变更为负φ。由此改变了转子6的旋转方向。

图11的标记59至62示出了在其单相激励和f0＝289.2kHz的激励电压的频率的情况下具有尺寸为的中空圆筒形式的未加负载超声执行器1的最大变形的四个相。

图12的标记63至64用于解释根据本发明的超声电机在最大负载Fr从转子6的一侧作用于摩擦元件3上时的摩擦接触的功能原理。当在最大负载下操作时，假设转子6以力Fr进行减速并且以远远小于其最大速度的速度移动，其中在摩擦接触的摩擦元件3和摩擦导轨之间尚未出现打滑。

由于该功能原理，摩擦元件3的摩擦表面上的点58根据图12的标记63在移动轨道66上移动。

移动轨道66包括位于点69和70之间的两个特征部67和68。在部67中，摩擦元件3未接触摩擦导轨10，即，执行器1未加负载。在部68中，摩擦元件3被按压至摩擦导轨10。执行器1经由转子6被施加力Fr。

图12的标记64阐明了摩擦元件3在部68中的移动。

图12的标记65示出了在摩擦元件3在移动轨道66的部68中移动时作用于电机的摩擦接触上的力。

由于施加至电极29和30的电压U1或U2，电场E在它们之间形成。图12的标记64和65示出了电场E的矢量，该矢量的方向与偏振矢量p和纵向或旋转轴的方向中的一个重合。

由于反向压电效应，电场E在纵向或旋转轴的方向上产生力Fad，并在切向轴Tg的方向上产生力Ftd。在移动轨道66的部68中，这些力为其最大值。

力Fad包括静态力Fas，其形成力Fa，从而将摩擦元件3按压至摩擦导轨10。力Fa相对于摩擦接触的弹性力Fs起作用。力Ftd引起转子6相反于力Fr移动。

压电力Fad在此与压电模块d33成比例，并且力Ftd与压电模块d31成比例。

在硬PZT陶瓷的情况下，d33/d31的比率在2.5和3的范围内。这意味着，根据本发明的超声电机的执行器1产生作用于轴向方向上(即，沿着纵向或旋转轴)的动态力Fad，该动态力Fad比在切向方向上(沿着轴Tg)所产生的力Ftd大2.5至3倍。

根据摩擦接触的最佳功能的条件可知，根据静态接触压力Fas必须等于动态力Fad的大小，在这种情况下，整个接触压力Fa必须等于动态接触压力Fad的大小的两倍。这意味着，当在本发明的电极中保持该条件时，接触压力Fa为5-6Ftd。即，当将电压施加至电极29和30时，接触压力Fa(其大于切向力Ftd的大小的5至6倍)在根据本发明的超声电机的摩擦接触中产生。

根据上述标记，根据本发明的超声电机的摩擦接触通过摩擦接触中的摩擦力Ffk来表征，该摩擦力Ffk大于根据开头所提及的参考文献US 6,765,335 B2和US 7,218,031B2的现有技术的电机的真实值的2.5至3倍。这允许其产生相比于根据US 6,765,335 B2或US 7,218,031 B2的超声电机远远更高的最大力。

图13示出了形成为工作台的超声电机。该电机的转子6由平台71组成，平台71牢固地安装于轴8上。在平台71上，摩擦导轨10用阻尼元件11紧固。弹簧5将超声执行器1的摩擦元件3按压至摩擦导轨10；这通过隔音基部15和支撑于止动环72上的压电环2的端面13的方式实现。

图14示出了根据本发明的超声电机的一个实施例，其中转子6包括两个组装盘7。

图15示出了单相电激励装置51的简化电子电路。该电路由功率放大器72、反馈元件73或74、反馈电路75、相链76、具有介电常数Lk的补偿线圈和具有电容Ct的去耦电容组成。

功率放大器72可为线性放大器或脉冲半桥式放大器，该放大器形成有双极晶体管或形成有场效应晶体管。对于反馈元件73，有可能使用低阻抗电阻器73，低阻抗电阻器73可能具有并联的电容器78。作为反馈电路74的另一个元件，有可能使用分压器79，分压器79与扇区Sa和Sb的激励电极29连接。

反馈电路可包括滤波器80、相检测器81和控制发生器82。这些链接可形成分立元件和可编程微处理器两者。

具有介电常数Lk的补偿线圈可并联至执行器1的电极29、30。补偿线圈的介电常数的大小根据条件2πf0Lk＝1/2πf0Co来确定。Ct的值选择成使得其远远大于Co的值。

通过采用具有介电常数Lk的补偿线圈，有可能部分地或完全地补偿一个扇区组或两个扇区组的电极电流的电容分量。

图15中所示的电路在反馈电路73或74的元件的相位信号之后类似于执行器1的激励电压U1的频率控制器f0而操作。

图16示出了两相电激励装置52的简化电子电路。该电路包括形成为模拟放大器的额外功率放大器83。放大器经由相移器84和相换向器54连接至放大器72。

在执行器1的两相激励的情况下，有可能使用具有介电常数Lka和Lkb的两个补偿线圈，这两个补偿线圈并联至扇区组A和B的扇区Sa和Sb的电极29和30。

根据图17，根据本发明的超声电机可配有转子6的位置或速度指示器85和转子6的位置和速度控制器86。

Claims

1.一种超声电机，所述超声电机包括

超声执行器(1)，所述超声执行器(1)具有压电中空圆筒的形式(2)包括内圆周表面和外圆周表面以及将所述内圆周表面和所述外圆周表面彼此连接的端面(4)，其中摩擦元件(3)设置于至少一个端面上；转子(6)，所述转子(6)与所述摩擦元件有效接触并包括至少一个圆盘或平台；和电激励装置(51、52)；其中所述超声执行器在圆周方向上细分成偶数个扇区Sa和Sb，所述扇区Sa和Sb具有在所述圆周方向上的扇区的平均长度L、在轴向方向上的扇区的高度H和在径向方向上的扇区的厚度T，并且所述扇区形成第一扇区组A和第二扇区组B；其中所述两个扇区组A和B的所述扇区Sa和Sb交替并彼此相邻，其中于邻近的扇区组A和B的邻接布置的区域中，所述摩擦元件设置成重叠各个邻近的扇区组A和B，其中各个所述扇区Sa和Sb由多个激励电极(29)和多个普通电极(30)形成，所述激励电极(29)和普通电极(30)在所述中空圆筒的所述轴向方向上交替地布置，其中在相邻的激励电极和普通电极之间布置一个压电材料(31)层，并且其中与所述第一扇区组A相关的所有激励电极彼此电连接，与所述第二扇区组B相关的所有激励电极彼此电连接，并且所述超声执行器的所有所述普通电极通过连接部(39)彼此电连接。

2.根据权利要求1所述的超声电机，其中所述激励电极和所述普通电极以及布置于一组扇区中所述扇区的相邻激励电极和普通电极之间的所述压电材料层构成声学纵驻波发生器；并且所形成的所述发生器可电驱动，使得第一纵驻波沿着所述超声执行器的母线而扩展并且第二纵驻波沿着所述超声执行器的高度而扩展。

3.根据权利要求1所述的超声电机，其中所述激励电极和所述普通电极以及布置于一组扇区中所述扇区的相邻激励电极和普通电极之间的压电材料层形成声学非对称驻波的发生器；并且因此所形成的所述发生器可电驱动，使得所述声学非对称驻波沿着所述超声执行器的所述圆周方向而扩展。

4.根据前述权利要求中任一项所述的超声电机，其中L对H之比在1和1.3之间，并且H对T之比在2和20之间。

5.根据权利要求1－3中任一项所述的超声电机，其中所述转子包括阻尼元件(11)，所述阻尼元件(11)减小所述转子的寄生振动的幅度。

6.根据权利要求1所述的超声电机，其中所述电激励装置(51)提供了单相激励电压，并且所述电激励装置包括换向器(53)，所述换向器(53)用于将所述单相激励电压施加至所述第一扇区组或所述第二扇区组的所述激励电极和所述普通电极以用于使所述转子的旋转方向反向。

7.根据权利要求1所述的超声电机，其中所述电激励装置(52)提供了两相电压，其中所提供的所述电压U1和U2中的一个被施加至一个扇区组的所述激励电极和所述普通电极，并且所提供的所述电压中的第二个被施加至另一扇区组的所述激励电极和所述普通电极，并且所述电激励装置包括换向器(54)，所述换向器(54)用于在所提供的电压U1和U2之间改变相移以用于使所述转子的旋转方向反向。

8.根据权利要求1所述的超声电机，其中具有介电常数Lk的补偿线圈并联至一个扇区组的所述激励电极和所述普通电极或并联至两个扇区组的所述激励电极和所述普通电极，所述补偿线圈部分地或完全地补偿一个扇区组或两个扇区组的所述电极的电流的电容分量。

9.根据权利要求1所述的超声电机，其中所述电激励装置包括反馈元件(73、74)，所述反馈元件(73、74)与所述扇区组之一的所述电极串联。

10.根据权利要求9所述的超声电机，其中所述电激励装置包括反馈电路(75)，所述反馈电路(75)用于在所述反馈元件的相位信号之后的激励电压的频率调整。

11.根据权利要求1所述的超声电机，其中所述电机包括所述转子的位置或速度指示器(85)和所述转子的位置和速度的控制装置(86)。