CN106664040A - 超声致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声致动器，所述超声致动器由极化压电材料采用单层或多层扁平矩形板的形式制成，所述扁平矩形板具有就表面面积而言最大的两个主面、接合所述主面的至少四个侧面、以及由所述主面之间在其表面法线方向上的距离所定义的厚度T，并且其中，在一个主面和另一个相反主面两者上，至少一个层分别包括相反安排并且通过对角分离区分离开的两个三角形电极，所述一个主面上的所述电极相对于所述另一个主面的所述电极偏移90°。根据本发明的超声致动器的特征在于，在所述侧面中的至少一个侧面上存在被设计为接触有待由所述超声致动器驱动的至少一个元件的两个相互间隔的摩擦元件。

Description

超声致动器

本发明涉及一种根据权利要求1至6之一所述的超声致动器以及一种用于操作这种超声致动器的方法。

DE102009049719A1已经公开了一种通用超声致动器。对该超声致动器进行配置，其方式为使得由此可以实现所谓的粘滑驱动，即，一种粘滞阶段和滑移阶段永久性交替的驱动。在粘滞阶段期间(其中，由于现有的摩擦接触，待驱动元件连同被安排在超声致动器上的摩擦元件一起被移动)，在由摩擦元件的移动所定义的方向上存在所述待驱动元件的实际位移或移动。在随后的滑移阶段，摩擦元件在与粘滞阶段期间的移动方向基本相反的方向上进行移动。由于这种向后移动在粘滞阶段期间发生地明显快于向前移动，因此待驱动元件由于其惯性只能在非常受限的程度上跟随这种快速移动，并且因此，在滑移阶段期间，待驱动元件在与驱动方向相反的方向上只有很小的移动。

在从现有技术中已知的超声致动器中，一个摩擦元件或多个摩擦元件被安排在主表面之一上，所述主表面就表面面积而言是最大的，并且因此，在由于适当的电致动而导致超声致动器形变(其中，所述形变基本上发生在板状超声致动器的平面中)的情况下，所述摩擦元件或所述多个摩擦元件基本上平行于相应的主表面移动。以此方式，相应的粘滑驱动在从现有技术中已知的超声致动器中是可实现的，在所述粘滑驱动中，摩擦元件必须在基本上平行于待驱动元件表面的方向上进行移动。

然而，粘滑驱动由于其原理而具有一些缺点。在本上下文中，首先应当被列出的是待驱动元件在滑移阶段期间的上述移动，所述移动与实际驱动方向相反，并且因此是寄生的。另一个缺点在于相对较低的驱动力。

因此，本发明的目的是提供一种超声致动器，通过所述超声致动器，关于从现有技术中已知的超声致动器可以实现更有效的驱动。

这一目标是通过如权利要求1所述的超声致动器来实现的，此权利要求之后的从属权利要求至少包括有利配置和发展。

因而，超声致动器被当做一个起始点，所述超声致动器由极化压电材料采用单层或多层扁平矩形板的形式制成，所述扁平矩形板具有就表面面积而言最大的两个主表面以及将所述主表面彼此连接的至少四个侧表面。此超声致动器的厚度T由主表面之间的法线距离来定义。在一个主表面和与其相反安排的另一个主表面两者上，超声致动器的至少一个层分别包括两个彼此相反安排的三角形电极，所述电极通过对角延伸的分离区彼此间隔开。术语“彼此相反安排”在本上下文中应当被理解为意指在电极所在的平面中彼此相反安排。一个主表面的这两个电极被安排成与另一个主表面的这两个电极偏移90°。根据本发明的超声致动器的特征在于，被彼此间隔开并且被提供用于接触有待由超声致动器驱动的至少一个元件的两个摩擦元件被安排在所述侧表面中的至少一个侧表面上。

当仅向安排在其中一个主表面上的电极施加电压时，在超声致动器中生成声学形变驻波的第二模式，所述驻波沿着另一个、相反主表面的分离区传播，其中，声学形变驻波的传播使得安排在其中一个侧表面上的这两个摩擦元件进行移动(尤其是椭圆形移动)，适合于驱动可以与摩擦元件接触的待驱动元件。通过摩擦元件的这种(驱动)移动完成了驱动，其中，没有待驱动元件的寄生移动。

如果摩擦元件各自被安排在侧表面的与相邻侧表面邻接的区域内，则可能是有利的。

如果摩擦元件以其与相邻侧表面齐平端接的方式被安排在所述侧表面上，则同样可能是有利的。

如果超声致动器总体上具有被安排在相反侧表面上的四个摩擦元件，则同样可能是有利的。

此外，如果超声致动器是多层的并且具有多个极化的且压电陶瓷材料的层，相邻层的极化方向不相同并且优选地彼此相反，则可能是有利的。

另外，如果所述厚度T小于侧表面的长度的三分之一并且大于同一侧表面的长度的二十分之一，则可能是有利的。

采用示意方式而非比例方式：

图1示出了超声电机的分解视图，所述超声电机包括根据本发明的超声致动器；

图2在示意图12中以根据本发明的超声致动器的上侧视图示出了所述超声致动器的透视图；并且在示意图13中以根据示意图12的超声致动器的下侧视图示出了所述超声致动器；

图3示出了根据本发明的具有多层设计的超声致动器的透视示意图；

图4示出了根据图3的超声致动器的分解视图；

图5示出了关于根据本发明的超声致动器的电致动可能类型的框图；

图6示出了关于根据本发明的超声致动器的电致动的另外可能类型的框图；

图7示出了用于解释根据本发明的超声致动器的操作原理的示意图34和35；

图8示出了示意图36，所述示意图示出了根据本发明的超声致动器在根据图7中的示意图34的电致动情况下的形变的模拟；并且示意图37示出了根据本发明的超声致动器在根据图7中的示意图35的电致动情况下的形变的模拟；

图9示出了根据本发明的超声致动器的摩擦元件在单相致动以及与有待由超声致动器驱动的元件对应接合或接触条件的情况下的轨迹；

图10示出了超声电机的另一个实施例，所述超声电机包括根据本发明的超声致动器。

图1示出了超声电机，所述超声电机包括根据本发明的超声致动器1，后者被实施为压电、正方形板3，超声致动器充当波导谐振器2。两个间隔开的摩擦元件被安排在其侧表面之一上，这形成了端面4。摩擦元件5是长方体并且所述侧表面之一与所述板3的相应侧表面6重合，使得所述两个侧表面彼此齐平端接。两个弹簧元件7被安排在另一个、相反的端面4上，所述弹簧元件将超声致动器或其两个摩擦元件5按压在待驱动元件9的摩擦表面8上，所述待驱动元件以可移动方式由采用滚珠轴承形式的轴承元件10安装。弹簧元件7被支撑在框架11上，轴承元件10也被安装于所述框架上。

图2在示意图12中以根据本发明的超声致动器的上侧视图示出了所述超声致动器，而图2的示意图13以其下侧视图示出了同一个超声致动器。

超声致动器具有长度L、高度H和厚度T。在当前情况下，高度H等于长度L，即，板3或超声致动器1是正方形。然而，还可以考虑高度H不明显(即，≤10％)不同于长度L。在这种情况下，所述板可能具有矩形形状。厚度T可以在L/3＞T＞L/20的范围中变化，其中，所述厚度由这两个主表面在其表面法线方向上的相互距离所定义。

这两个摩擦元件5在压电板3的形成端面4的侧面之一上被固定靠近两个侧表面6。

超声致动器1具有用于生成声学驻波的两个发生器14和15。发生器14包括两个三角形电极16和17以及压电材料层18的与电极16和17相邻并在所述板3的厚度方向上与这些电极邻接的一部分。这里，电极16和17被安排在压电板3的主表面19上。

发生器15还包括两个三角形电极20和21以及压电材料层18的与电极20和21相邻并在所述板3的厚度方向上与这些电极邻接的一部分。电极20，21被安排在压电板3的与主表面19相反的另一个主表面22上。

压电板3或层18的压电材料分别垂直于电极16和17以及20和21被极化。这里，指针p表示图2中的极化方向。

电极16与17以及电极20与21各自以隔离距离23和24彼此分离，所述隔离距离以对角不同(即，相反)的方式被定向，所述隔离距离被安排成平行于表面19和22的不同方向的对角线25和26。

电极16与17以及电极20与21都分别具有馈线27和28以及29和30，用于将所述电极电连接至电激励装置(图2中未示出)。

图3以许多层或多层结构示出了根据本发明的超声致动器的结构实施例。

在超声致动器1的本实施例中，每个声学驻波发生器14和15各自由交替的三角形电极对17和18以及20和21、以及其间的压电材料层18构成。电极17和18以及20和21、以及压电陶瓷材料层18在压电板3的内部被引入到其间，并与波导谐振器2的压电板3的主表面19和22平行。

在图3的详细示意图的基础上，可以识别出邻近的压电材料层18的极化方向彼此相反，其中，对应的极化方向总是垂直于电极而延伸。

在分解视图中，图4根据图3以多层结构阐明了超声致动器的(内部)结构。

这里，每个电极16具有连接27，每个电极17具有连接28，每个电极20具有连接29，并且每个电极21具有连接30。

就结构而言，根据本发明的超声致动器被设计的方式为使得发生器14和15被安排在彼此内，其中，波导谐振器2的压电陶瓷板3的压电陶瓷总量被用在用于生成声学驻波的各个发生器14或15中。

在框图中，图5示出了根据本发明的超声致动器与单相电激励装置31的可能电连接。这里，电激励装置31为交流电压U1提供频率fo，声学对角形变驻波的第二模式以所述频率生成在超声致动器1的波导谐振器2内。

针对电压U1到超声致动器1的电极16和17或者电极20和21的交替连接，电激励装置31配备有转换开关32。

图6示出了根据本发明的超声致动器1与双相电激励装置33的可能电连接的框图。这里，电激励装置33为电压U1和电压U2提供相同的频率fo以及电压U1与U2之间的相移

图7的示意图34和35用于解释根据本发明的超声致动器的操作原理。

当把电压U1施加到发生器14(根据图7的示意图34)的电极16和17时，电流I流经电容Co1和电容Co2。电容Co1形成于电极16与电极20和21的一部分之间，而电容Co2形成于电极17与电极20和21的一部分之间。电流造成压电陶瓷材料在压电板3的电极16下的形变+S以及压电陶瓷材料在电极17下的反相形变-S。

因此，声学对角形变驻波的第二模式生成在波导谐振器2中，所述形变驻波沿着压电陶瓷板3的对角线26传播。这里，图8的示意图36和37示出了两个最大形变相位。

当把电压U1施加到发生器15的电极20和21时，电流I流经电容Co3和电容Co4。电容Co3形成于电极20与电极16和17的一部分之间，而电容Co4形成于电极16和17的一部分与电极21之间。此电流造成压电陶瓷材料在电极20下的形变-S以及压电陶瓷材料在电极21下的反相形变+S。

因此，声学对角形变驻波的第二模式生成在波导谐振器2中，所述形变驻波沿着压电陶瓷板3的对角线25传播。

由于声学对角形变驻波在超声制动器1中的传播，摩擦元件5以及点38和39在仅被定向在一个方向上的闭合轨迹40和41上移动(如图9所描述)。

由于摩擦元件5与待驱动元件9的摩擦层或摩擦表面8的摩擦相互作用，超声致动器1经由摩擦元件将形变移动传递至待驱动元件，其中，待驱动元件的驱动方向上的移动组件向待驱动元件施加相应的驱动力。

通过致动所述转换开关32，由于待驱动元件9的移动方向发生改变(即，反转)，激励电压U1被从一个发生器14或15的电极施加到另一个发生器15或14的电极。

在根据本发明的超声致动器的单相刺激或激励的情况下，摩擦元件5的轨迹40和41就其形状而言稍微不同于彼此；然而，由于点38和39在不同时间接触摩擦表面8，这对于摩擦接触的效率没有影响。

在根据本发明的超声致动器的双相刺激或激励的情况下，关于摩擦元件5的轨迹40和41的形状的不同可能并不显著，电压振幅U1和U2之比以及相移受到适当的影响。

在根据本发明的超声致动器的双相激励的情况下，相移角度的反转带来了待驱动元件9的移动方向的改变。

图10示出了超声电机，所述超声电机包括根据本发明的超声致动器，其上安排有四个摩擦元件，所述摩擦元件被安排在压电板3的两个相反的端面4处。

Claims (6)

1.一种超声致动器(1)，所述超声致动器由极化压电材料采用单层或多层扁平矩形板(3)的形式制成，所述扁平矩形板具有就表面面积而言最大的两个主表面(19，20)以及将所述主表面彼此连接的至少四个侧表面(4，6)、以及由所述主表面之间在其表面法线方向上的距离所定义的厚度T，并且其中，至少一个层在一个主表面上和与其相反安排的另一个主表面上分别包括两个彼此相反安排的三角形电极(16，17，20，21)，所述电极通过对角延伸的分离区(23，24)彼此间隔开，所述一个主表面的所述电极被安排成与所述另一个主表面的所述电极偏移90°，其特征在于，彼此间隔开并且被提供用于与有待由所述超声致动器驱动的至少一个元件相接触的两个摩擦元件(5)被安排在所述侧表面中的至少一个侧表面上。

2.如权利要求1所述的超声致动器，其特征在于，所述摩擦元件各自被安排在所述侧表面的与相邻侧表面邻接的区域内。

3.如权利要求2所述的超声致动器，其特征在于，所述摩擦元件以其与所述相邻侧表面齐平端接的方式被安排在所述侧表面上。

4.如以上权利要求之一所述的超声致动器，其特征在于，所述超声致动器总体上具有四个摩擦元件，所述摩擦元件被安排在相反的侧表面上。

5.如以上权利要求之一所述的超声致动器，其特征在于，所述超声致动器是多层的并且具有多个极化的且压电陶瓷材料的层，相邻层的极化方向不相同并且优选地彼此相反。

6.如以上权利要求之一所述的超声致动器，其特征在于，所述厚度T小于侧表面的长度的三分之一并且大于同一侧表面的长度的二十分之一。