CN105830329B - 超声波电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声波电动机，包括具有布置在其上的四个摩擦元件(4)的压电超声波致动器(1)、与摩擦元件摩擦接触的摩擦面(6)以及电励磁装置(16)，其中超声波致动器具有带内圆周面(14)、外圆周面(12)以及连接内、外圆周面的两个平坦端面(5)的环状或空心圆柱体形状，其中四个摩擦元件以关于圆周方向的等距隔开布置在超声波致动器的其中一个端面上，使得每两个摩擦元件径向相对，并且超声波致动器包括十二个相同的圆周部分(10)，其中每个圆周部分具有用于将在超声波致动器中形成声学驻波的发生器，并且由于驻波引起的超声波致动器的变形导致摩擦元件在倾斜至端面的运动轨迹上和/或在基本上垂直于端面的运动轨迹上偏移，并且每个发生器具有至少一个励磁电极(11)、至少一个通用电极(13)或通用电极的一部分以及布置在励磁电极和通用电极或通用电极的部分之间的由压电陶瓷制成的层(15)。

Description

超声波电动机
本发明涉及一种超声波电动机。
从US 6,765,335 В2已知一种超声波电动机，利用该超声波电动机借助超声波致动器可实现待驱动元件的线性单坐标移动。为了实现双坐标或三坐标移动，相应的超声波电动机需要两个或三个互相独立的超声波致动器(对此请参照例如EP 2 258 004 B1或US7,635,940 B2)。
本发明的任务在于，提供一种超声波电动机，该电动机仅借助一个超声波致动器就能够生成将要由该超声波致动器驱动的元件的双坐标或三坐标移动。
该任务通过根据本发明的第一方面的超声波电动机得以实现，其中本发明的另外方面包括至少有利的实施形式和改进形式。
因此以超声波电动机为出发点，该超声波电动机包括具有带内圆周面、外圆周面以及将内、外圆周面连接起来的两个平坦端面的环状或空心圆柱体形状的压电超声波致动器，其中在一个平坦端面上布置了四个摩擦元件。这些摩擦元件以彼此相同的间距(即等距)分散布置在超声波致动器的圆周或端面上。换句话说，两个相邻摩擦元件之间有90°的圆周角，使得四个摩擦元件中的每两个径向相对(即以180°的圆周角距)。摩擦元件与元件，例如摩擦台的摩擦面摩擦接触或工作接触，摩擦元件被弹性压紧在该摩擦面上。
此外，本发明所述超声波发动机具有电励磁装置。该装置被设置用于电连接励磁电极和通用电极或电连接超声波致动器的通用电极，其中励磁电极与通用电极或者与一个通用电极和布置在励磁电极和该通用电极之间的压电材料层共同构成用于将在超声波致动器内形成声学驻波的发生器。总的来说，超声波致动器具有十二个相同的且分布在超声波致动器圆周上的发生器。每个发生器是空心圆柱体或环的部分圆周部分，其中每个圆周部分构成部分空心圆柱体。
通过借助电励磁装置相应地电激励发生器在表示波谐振器的超声波致动器中形成声学驻波或形变波，并且由驻波引起的超声波致动器的变形导致摩擦元件在倾斜至端面的运动轨迹上和/或基本上垂直于端面的方向(横向运动轨迹)上或沿着该倾斜的运动轨迹和/或该方向产生相应的偏移，其中倾斜的运动轨迹具有纵向或切线分量和横向或轴向分量，并且纵向或切线分量基本上平行于摩擦面延伸。在此可通过在基本上垂直于端面的方向(即在横向运动轨迹上)偏移摩擦元件来产生垂直于摩擦面的运动(z方向)，而由于摩擦元件在倾斜至端面的运动轨迹上或沿着该运动轨迹偏移可以产生沿着摩擦面(x-y平面)的运动。
为此，本发明所述超声波发动机可以仅借助一个超声波致动器不仅产生在平面(x-y平面)中的双坐标移动，而且产生三坐标移动，在该三个坐标移动中还额外进行垂直于x-y平面的移动并从而进行在z方向上的移动。这时一方面超声波致动器可能会相对于摩擦面移动；另一方面还可以设想的是，超声波致动器被固定并且产生构成摩擦面的元件的相对移动。
可能有利的是，励磁电极布置在超声波致动器的外圆周面上并且一个通用电极或多个通用电极布置在超声波致动器的内圆周面上。
同样可能有利的是，励磁电极、通用电极和分别布置在这两者间由压电陶瓷构成的层基本上与超声波致动器的端面平行布置。
此外还可能有利的是，电励磁装置提供具有频率的交流电压，在该电压下在超声波致动器中产生声学驻波的第六模式。
除此之外还可能有利的是，超声波电动机具有用于电极的转换开关，该转换开关将该电极与电励磁装置连接，使得在超声波致动器中产生声学驻波的第六模式时，在一对径向相对的摩擦元件上出现在倾斜的运动轨迹上或沿着该运动轨迹的最大偏移，并且在另一对径向相对的摩擦元件上出现在倾斜的运动轨迹上或沿着该运动轨迹的最小偏移。
附图简要说明
图1：示出了本发明所述超声波电动机(未示出电励磁装置)
图2：图形8：以透视图示出了图1所示超声波电动机的超声波致动器；图形9：以俯视图(向上看)示出了图1所示超声波电动机的超声波致动器
图3：示出了本发明所述超声波电动机的超声波致动器的实施形式(未示出摩擦元件)
图4：示出了涉及本发明所述超声波电动机的超声波致动器与电励磁装置连接的方框图
图5：图形28：示出了处于未激励状态的本发明所述超声波电动机的超声波致动器的FEM模型；图形27和29：示出了借助图形28所示模型进行最大变形阶段的FEM计算
图6：图形33至38：示出了本发明所述超声波电动机的超声波致动器的不同电激励对摩擦元件偏转方向的影响
图7：示出了本发明所述超声波电动机的超声波致动器的摩擦元件和摩擦面之间的接触或啮合情况
图1示出了具有超声波致动器1的本发明所述超声波电动机，该超声波致动器构成波谐振器2，其中超声波致动器被构造成由压电材料制成的空心圆柱体3，并且在该超声波致动器的其中一个平坦端面5上布置了四个摩擦元件4。通过力F借助超声波致动器的摩擦元件4将超声波致动器1弹性压紧在摩擦台7的摩擦面6上。力F可以由超声波致动器的重力产生，但它也可以由附加元件，例如弹簧或磁铁产生。
图2的图形8示出了图1所示作为单部件的超声波致动器。该超声波致动器总共具有十二个相同的圆周部分或圆周段10。每个圆周部分10具有励磁电极11，其中相邻圆周部分10的励磁电极不相互接触。在超声波致动器的内圆周面14上布置了完整环绕的通用电极13。每个励磁电极11与通用电极13相应的相对部分和布置在两个电极之间的压电材料层构成用于将在超声波致动器中形成声学驻波或形变波的发生器。平坦的端面5上布置了四个摩擦元件4，其中摩擦元件分别布置在两个相邻励磁电极之间的中间区域内。换句话说：每个摩擦元件的对称线在两个相邻励磁电极中间延伸。两个相邻摩擦元件4包围基本上为90°的圆周角，使得有两对摩擦元件，在这两对摩擦元件中两个相应的摩擦元件径向相对布置。
图2的图形9以俯视图示出了图形8所示超声波致动器，根据该图形可特别好地识别出超声波致动器各个元件之间的几何关系。通过筒体或筒体的圆周呈现众多径向平面S(虚线)，这些径向平面分别延伸通过两个相邻励磁电极的中间，但抑或示出摩擦元件的对称平面。径向平面S将空心圆柱体分成十二个相同的圆周部分10。在图2的图形8中以及在相应的其他附图中用虚线示出了径向平面S与超声波致动器1的交点。
此外，根据图2的图形9，压电陶瓷材料层15的极化方向用相应的箭头以注释p标示。极化方向在此垂直于电极，使得产生径向指向的极化。此外，图2的图形9示出了励磁电极的电连接端子A1至A12以及通用电极的电连接端子A0。
图3示出了本发明所示超声波发动机的超声波致动器的可选的实施形式。在该超声波致动器中每个发生器都有交替布置的多个励磁电极11层和通用电极13层，其中电极层之间布置了压电陶瓷材料层15(所谓的多层布置)。这些层在此在超声波致动器的轴向方向上堆叠，并且压电陶瓷材料的极化方向垂直于电极或垂直于端面，即在轴向方向上，其中分别相邻的压电材料层的极化方向相反(反平行极化方向)。各个发生器的所有励磁电极11通过相应的连接端子A1至A12接触，而各个发生器的所有通用电极13通过连接端子A0接触。
图4示出了涉及本发明所示超声波电动机的超声波致动器与电励磁装置16连接的方块图。相应的电路在此具有转换开关20，该转换开关包括断路开关21至26，借助断路开关可实现电励磁装置和将要被驱动的励磁电极之间的连接。在此断路开关21与连接端子A1、A4、A5、A8、A9和A12连接，断路开关22与连接端子A2、A3、A6、A7、A10和A11连接等。
电励磁装置16在其连接端子17和18上提供交流电压U1，并且在连接端子19和18上提供交流电压U2。这些电压彼此相位移动180°角。它们具有相同的频率fo，因而在超声波致动器1中激励或产生声学变形驻波的第六模式(六个λ/2长的半波)。每个发生器产生驻波的λ/4部分。
图5在图形28中示出了处于未激励状态下本发明所述超声波电动机的超声波致动器的FEM模型，而图形27和29示出了基于图形28所示模型对由于在超声波致动器中激励的驻波产生的最大变形阶段进行FEM计算。该驻波通过操作任一断路开关21至26产生。端面5位于驻波顶点上的点30仅具有振动的横向或轴向分量。而端面5位于驻波下降部分上的点31不仅具有振动的横向或轴向分量，而且还具有振动的纵向或切线分量。
操作任一断路开关21至26不会使产生的驻波的形式发生改变。仅改变波相对于摩擦元件4的位置。在此波移动半个波长，即λ/2，或移动四分之一波长，即λ/4。
上面所描述的波位置的变化会导致摩擦元件4的点32的移动轨迹变化，如图6中的图形33至38所示。
图形33在此对应断路开关21的接通状态。图形34对应断路开关22的接通状态。图形35对应断路开关23的接通状态。图形36对应断路开关24的接通状态。图形37对应断路开关25接通状态。显示38对应断路开关26的接通状态。
在所有情况下，点32在两个不同的运动轨迹上移动，即在倾斜的运动轨迹40和横向运动轨迹41上移动。
图7示出了摩擦元件4的点32在倾斜的运动轨迹40上的移动。该倾斜的运动轨迹40在此可分解为两个分量，即分解为纵向或切线分量42和横向或轴向分量43。运动轨迹的纵向分量42致使摩擦元件5在箭头44所示方向上移动致动器1(驱动方向)。
在横向运动轨迹41上移动的点32不具有纵向移动分量，因此该点也不会影响致动器1的移动。
操作断路开关21至26导致点32的运动轨迹变化，并且从横向运动轨迹41改变至倾斜的运动轨迹40和运动轨迹40倾斜角在图6的图形33至38中所示出的反向。运动轨迹40的倾斜角的反向导致移动反向(在此也请参照致动器1在图1中用六个箭头44所示在摩擦台7上移动的变化)。
通过操作断路开关21至26可能使致动器1在摩擦面6上线性移动，并且向前(图6中的图形33所示)、向后(图6中的图形34所示)、向右(图6中的图形35所示)以及向左(图6中的图形36所示)移动。此外，还可能在顺时针方向(图6中的图形37所示)或逆时针方向(图6中的图形38所示)旋转移动。
本发明使对超声波电动机进行结构设计成为可能，在该超声波电动机上固定了超声波致动器1，该超声波致动器使布置在导向装置中的摩擦台7移动，其中导向装置限制垂直于致动器1端面5延伸的移动(附图中未显示)。

Claims (3)

1.一种操作超声波电动机的方法，所述超声波电动机包括具有布置在其上的四个摩擦元件(4)的压电超声波致动器(1)、与所述摩擦元件摩擦接触的摩擦面(6)以及电励磁装置(16)，其中所述超声波致动器是具有内圆周面(14)、外圆周面(12)以及连接所述内圆周面和所述外圆周面的两个平坦端面(5)的环状或空心圆柱体形状，其中所述四个摩擦元件以关于圆周方向的等距间隔布置在所述超声波致动器的其中一个所述端面上，使得每两个所述摩擦元件径向相对，并且所述超声波致动器包括十二个相同的圆周部分(10)，其中每个所述圆周部分具有用于将在所述超声波致动器中形成声学驻波的发生器，并且每个发生器具有至少一个励磁电极(11)、至少一个通用电极(13)以及布置在所述励磁电极与所述通用电极之间的压电陶瓷材料层(15)，其特征在于，
通过操作所述发生器，使得由于所述驻波引起的所述超声波致动器的变形导致一对径向相对的摩擦元件在相对于所述端面倾斜的运动轨迹上的偏移以及另外一对径向相对的摩擦元件在基本垂直于所述端面的运动轨迹上的偏移，
通过所述电励磁装置提供具有一频率的交流电压，在所述交流电压下在所述超声波致动器中产生所述声学驻波的第六模式，并且
所述超声波电动机具有用于所述励磁电极的转换开关(20)，所述转换开关(20)将所述励磁电极与所述电励磁装置连接，使得在所述超声波致动器中产生所述声学驻波的所述第六模式时，在一对径向相对的摩擦元件上出现沿所述倾斜的运动轨迹的最大偏移，并且在另一对径向相对的摩擦元件上出现沿所述倾斜的运动轨迹的最小偏移。
2.如权利要求1所述的操作超声波电动机的方法，其特征在于，所述励磁电极布置在所述超声波致动器的所述外圆周面上，并且所述通用电极布置在所述超声波致动器的所述内圆周面上。
3.如权利要求1所述的操作超声波电动机的方法，其特征在于，所述励磁电极、所述通用电极以及布置在所述励磁电极和所述通用电极之间的相应的所述压电陶瓷材料层基本上平行于所述超声波致动器的所述端面布置。
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