CN109314176A - 具有可对角励磁的致动器板的超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波电机，包括矩形压电板(2)形式的超声波致动器(1)，矩形压电板具有两个用于声驻波的发生器(23、24)，并在其上布置有至少两个摩擦元件(3)、待驱动的元件和电励磁装置。致动器的压电板由两个虚拟平面(S1、S2)分成两对对角相对设置的部分，两个虚拟平面彼此垂直延伸并延伸穿过致动器主表面的中心线，其中，发生器(23；24)中的每个由两部分(25+26；27+28)组成，两个部分可以反相方式操作，每个部分布置在压电板的对角线部分中，摩擦元件(3)布置在压电板(2)的一个或两个端面(10)上。

Description

具有可对角励磁的致动器板的超声波电机

技术领域

本发明涉及根据权利要求1所述的超声波电机。

背景技术

DE 10 2014 209 419 B3公开了一种超声波电机，其中，所述超声波致动器被设计为矩形压电板，该矩形压电板具有用于声学斜波的发生器并在其上具有两个摩擦元件。该电机的声波发生器由两个串联电连接的部分组成。这导致电机的电励磁电压增加2倍。另外，已知配置的特征在于摩擦元件的轨迹形状方面存在显著差异，这又导致其摩擦接触结果的磨损增加并导致电机的使用寿命缩短。另外，摩擦元件的轨迹形状的差异导致在低运动速度下待驱动元件的运动出现高度不均匀性。所有这些共同减少了该电机的应用范围。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种超声波电机，该超声波电机可在较低的电励磁电压下操作、在摩擦接触中表现出较小的磨损并具有更长的使用寿命且改善了在低速运动时待驱动的元件运动的均匀性。

该目的满足根据权利要求1所述的超声波电机，其中后续的从属权利要求至少表示有利的进一步发展。

在下文中，术语“超声波致动器”和“致动器”应同义使用。

假设超声波电机包括矩形压电板形式的超声波致动器，所述超声波电机在面积方面具有两个最大主表面并具有将侧表面彼此连接的两个主表面，其中，所述超声波致动器具有两个用于产生声驻波的发生器和至少两个设置在至少一个侧表面上的摩擦元件。此外，所述超声波电机具有待驱动的电机和电励磁装置。

致动器的压电板可由两个虚拟平面分成两对对角相对设置的部分，两个虚拟平面彼此垂直延伸并延伸穿过致动器主表面的中心线，其中，发生器中的每个由两部分组成，两个部分可以反相方式操作，每个部分布置在所述压电板的对角线部分中，所述摩擦元件布置在表示端面的侧表面上或两个相对设置的端面上。

有利地，所述压电板具有正方形或平行六面体的形状。

还有利地，所述声驻波的所述发生器具有三层或多层配置，所述三层或多层配置由励磁电极层、公共电极层和二者之间的压电陶瓷材料层构成。

此外，有利地，如果在所述超声波电机的致动器中，对角声学驻波可由用于声驻波的所述发生器生成，所述声驻波在所述压电板的所述主表面中一个的一个或两个对角线的方向上传播。

此外，有利地，所述致动器的所述电励磁装置包括转换开关，用于将用于声驻波的所述一个或其他发生器连接至由所述电压致动的所述致动器。

另外，有利地，所述电励磁装置具有生成附加电压的块，用于励磁所述第二声波发生器。

有利地，所述块相对于所述初级电压的相位来改变所述附加电压的相位。

另外，有利地，所述块改变所述附加电压的幅度。

附图说明

图1示出了根据本发明的超声波电机的一个实施例。

图2以透视图示出了根据图1的超声波电机的超声波致动器。

图3示出了表示17至20中的根据图1的超声波致动器的不同视图。

图4示出了根据本发明的超声波电机的超声波致动器的实施例。

图5示出了根据本发明的超声波电机的超声波致动器的实施例和内部结构。

图6示出了根据本发明的超声波电机的超声波致动器的实施例和内部结构。

图7示出了用于将根据本发明的超声波电机的超声波致动器连接至电励磁装置的两个不同的连接图(表示52和55)。

图8：表示57和58：示出了根据图7的表示52的连接图的超声波致动器的致动或励磁原理；表示59和60：示出了根据图7的表示55的连接图的超声波致动器的致动或励磁原理。

图9示出了根据本发明的超声波电机的超声波致动器的计算或模拟的最大变形，该变形被励磁用于在超声波致动器中形成驻波。

图10示出了布置在根据本发明的超声波电机的超声波致动器上的摩擦元件的轨迹的表示。

图11示出了根据本发明的超声波电机的一个实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的超声波电机的可能实施例。该超声波电机包括矩形压电板2形式的超声波致动器1，该矩形压电板在面积方面具有两个主表面并具有将两个主表面彼此连接的四个侧表面，其中，每个隔开的两个摩擦元件3布置在代表超声波致动器的端面的一个侧表面上，从而每个摩擦元件可邻接超声波致动器的相应的相邻侧表面的端面。致动器1通过支撑件5保持或安装在壳体4中。摩擦元件3压靠在待驱动的元件7的摩擦层6上，该摩擦层可通过滚珠轴承8来线性移动或可移动地安装。

图2详细示出了图1的致动器1的压电板2。板2具有长度L、宽度B和厚度D。其具有侧面9、端面10和面积最大的主表面11。端面10是那些在超声波电机的组装状态下面向或分别远离待驱动的元件7且摩擦元件3布置在其上的侧面。

如果长度L等于宽度B，则它们具有正方形的形状。如果长度L不等于宽度B，则它们具有平行六面体的形状。板1可通过两个彼此垂直延伸的虚拟平面S1和S2分成两对对角相对设置的部分12、13和14、15。平面S1和S2延伸穿过主表面11的中心线16的法线并与之垂直。

图3的表示17分别示出了图1或图2的致动器1的板2的正视图。图3的表示18和19示出了板2的仰视图和俯视图，而图3的表示20示出了板2的后视图。沿两个对角线21和22设置的是相应的两对对角线部分12、13和14、15。压电板2包括两个用于生成声驻波的发生器23和24，其中每个发生器23和24由以反相方式致动的两个部分25、26和27、28组成。部分25属于部分12，部分26属于部分13，部分27属于部分14，部分28属于部分15。

在图3所示的板2的配置中，发生器23和24具有三层结构。发生器23和24的每个部分25、26和27、28包括具有公共电极29的层、具有励磁电极30、31的层和在二者之间的压电陶瓷层32。电极29、30、31布置在板2的主表面上。板2的整个压电陶瓷材料沿图3中所示的方向通过具有折射率p的箭头极化。发生器23和24的公共电极29包括端子33，发生器23的励磁电极30包括端子34，且发生器24的励磁电极31包括端子35。

图4以表示36至39示出了根据本发明的超声波电机的超声波致动器1的不同结构配置，该配置具有用于对角声驻波的发生器23、24的三层结构。表示36示出了正视图，表示37和38分别示出了仰视图和俯视图，且表示39示出了后视图。在超声波致动器的这种结构配置中，发生器23和24的公共电极29彼此连接。

图5的表示40示出了超声波致动器1的平面图，其中发生器23和24具有多层结构并代表多层发生器。表示41示出了这种超声波致动器的相应侧视图。表示42、45和43、44示出了对角声驻波的多层发生器23和24以反相方式致动的部分25、26和27、28的结构。每个部分25、26和27、28由交替设置的励磁电极层30和31、公共电极层29以及二者之间的压电陶瓷层32构成。

图6示出了根据本发明的超声波电机的超声波致动器的另一结构配置，该配置具有用于产生对角声驻波的多层发生器23和24。表示46示出了这种超声波致动器的俯视图，而表示47示出了超声波致动器的侧视图。表示48、51和49、50示出了对角声驻波的多层发生器23和24以反相方式致动的部分25、26和27、28的结构。与根据图5的超声波致动器的实施例类似，电极层29、30、31在此平行于板2的主表面11布置。

图7的表示52示出了用于将根据本发明的超声波电机的超声波致动器1的压电板2连接至电励磁装置53的第一连接图。电励磁装置53生成电交流电压U1，该电压的频率等于沿压电板2的对角线22或21传播或靠近压电板的对角线传播的声驻波的第二模式的谐振频率。电压U1通过转换开关54施加至发生器24或23的公共电极29和励磁电极31或30。在根据本发明的超声波电机中，发生器24和23的部分27、28和25、26以反相方式配置或致动，以生成对角线声波的第二模式。这些部分在那里与电压U1并联连接。

图7的表示55示出了用于将根据本发明的超声波电机的致动器1的压电板2连接至电励磁装置53的第二连接图，其中，向具有块56的电励磁装置53提供具有与电压U1相同频率的附加电压U2。取决于所选电机的操作方案，电压U2可相对于电压U1进行相移，即相移一个角度，该角度在零到正或到负180°的范围内。在电机运行期间，该角度可变化。另外，可改变幅度和电压U2。

图8的表示57、58和59、60分别示出了分别根据图2和图3或根据图5和图6的致动器1的俯视图。摩擦元件3分别设置在超声波致动器1的两个端面10中的一个上。图8中发生器25、26和27、28的部分的反相性质由指数+/-表示。术语部分25、26和27、28的反相性质是指每个部分在板2中相对于另一部分引起了相反的变形。

图8中的表示用于通过图7中所示的相应连接图来解释用于励磁致动器1的两个原理。在第一原理中，在电机的操作期间，仅通过电压U1致动仅一个发生器，即仅发生器24(图8中的表示58)或仅发生器23(图8中的表示57)。借助于转换开关54完成电压的转换(参见图7中的表示52)。在致动器1中由电压U1励磁的发生器24或发生器23生成对沿板2的对角线22或21传播的对角声驻波的第二模式。在第二种情况下(图8中的表示59、60)，在电机运行期间借助于电压U1和U2同时励磁发生器24和23。发生器24和23中的每个在致动器1中生成沿板2的对角线22或21传播的对角声驻波。在这种情况下，电机的操作方案对应于图7中的表示55中所示的连接图。对于两个连接图，图8中致动的发生器24和23的部分27、28和25、25用阴影线表示。

图9的表示61和62示出了在其中生成对角声驻波而沿压电板2的对角线22传播时的致动器1的计算或模拟的最大变形。在这种情况下，波由发生器24生成。在致动器1的摩擦元件3的工作表面上示出的点63和64在与待驱动的元件7的摩擦表面6的摩擦连接的意义上相互作用。

在通过电压U1生成并沿对角线22传播的对角声驻波中(图7中的表示52)，摩擦元件3的工作表面的材料点63和64在椭圆轨迹65和66上移动，如图10所示。箭头表示相应的运动方向。由于发生器23使用的压电板2的部分在发生器24的励磁期间不被电致动(参见图8的表示58)，因此板2由该部分不对称地进行加载。板2上的这种负载产生轨迹65和66的补偿，如图10所示。轨迹65和66的补偿被理解为意味着：椭圆轨迹65和66的相应两个直径的尺寸和轨迹65和66相对于摩擦层6的倾斜角实际上是相等的。

摩擦元件3的工作表面的所有材料点在椭圆轨迹上的运动导致力F的产生，该力在致动器1的一部分上作用于待驱动的元件7并使其运动。在启动转换开关54时，电压U1励磁发生器23，从而在致动器1中可产生沿对角线21传播的声驻波。利用这种波，摩擦元件3的表面的材料点的运动方向在相反方向上反转。这导致要沿箭头所示方向反转待驱动的元件的运动方向。

摩擦元件3的材料点的等圆形轨迹67可通过电压U1和附加电压U2同时致动发生器24和发生器23或通过电压U1和附加电压U2同时致动发生器23和发生器24来实现。这可通过选择适当的电压U2的幅度和相位来实现。然后可通过反转电压U2和U1之间的相移角来改变待驱动的元件7的运动方向。

图11示出了根据本发明的超声波电机的另一个实施例，其中超声波致动器1包括两个另外的摩擦元件68和一个待驱动的具有摩擦层69的附加元件70。

附图标记列表：

1：超声波致动器

2：压电板

3：摩擦元件

4：壳体

5：支撑件

6：摩擦层

7：待驱动的元件

8：滚珠轴承

9：侧表面

10：端面

11：主表面

12、13、14、15：对角部分

16：中心线

21、22：对角线

23、24：用于对角声驻波的发生器

25、26：发生器23中以反相方式致动的部分

27、28：发生器24中以反相方式致动的部分

29：公共电极层

30：发生器23的励磁电极层

31：发生器24的励磁电极层

32：压电陶瓷层

33：公共电极29的输出

34：励磁电极30的输出

35：励磁电极31的输出

53：电励磁装置

54：转换开关

56：相位和/或电压控制单元。

Claims (8)

1.一种超声波电机，包括矩形压电板(2)形式的超声波致动器(1)、电励磁装置(53)和待驱动的元件(7)，其中，所述超声波致动器包括两个用于产生声驻波的发生器(23、24)和至少两个布置在所述超声波致动器上并用于接触所述待驱动的元件的摩擦元件(3)，其特征在于，所述超声波致动器(1)由两个虚拟平面(S1、S2)分成两对对角相对设置的部分，所述两个虚拟平面彼此垂直延伸并延伸穿过所述致动器的主表面(11)的中心线(16)，其中，所述发生器(23、24)中的每个由两个部分(25、26、27、28)组成，所述两个部分可以反相方式操作，所述两个部分中的每个布置在不同的对角线部分中，所述摩擦元件(3)布置在所述超声波致动器的所述端面中的一个上或所述压电板(2)的两个相对端面(10)上。

2.根据权利要求1所述的超声波电机，其特征在于，所述压电板(2)具有正方形或平行六面体的形状。

3.根据权利要求1或2所述的超声波电机，其特征在于，用于声驻波的所述发生器(23、24)具有三层或多层结构，所述三层或多层结构具有至少一层励磁电极(30、31)、至少一层公共电极(29)和布置在相邻电极层之间的至少一层压电陶瓷材料(32)。

4.根据前述权利要求中一项所述的超声波电机，其特征在于，在所述超声波电机的所述超声波致动器(1)中，对角声学驻波可由用于声驻波的所述发生器(23、24)生成，所述声驻波在所述压电板(2)的所述主表面(11)中一个的一个或两个对角线(21、22)的方向上传播。

5.根据前述权利要求中一项所述的超声波电机，其特征在于，所述超声波致动器(1)的所述电励磁装置(53)包括转换开关(54)，用于将用于声驻波的所述一个或其他发生器(23、24)连接至由电压致动的超声波致动器(1)。

6.根据权利要求1至4中一项所述的超声波电机，其特征在于，所述电励磁装置(53)包括生成附加电压的块，用于励磁用于声波的所述第二发生器。

7.根据权利要求6所述的超声波电机，其特征在于，所述块相对于初级电压的相位来改变所述附加电压的相位。

8.根据权利要求6或7所述的超声波电机，其特征在于，所述块改变所述附加电压的幅度。