CN109314474A - 超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波电机，包括：致动器(1)，致动器为压电板(2)的形式具有至少一个摩擦元件(3)；热补偿平台(6)，热补偿平台具有接触部分(7)；以及张紧装置(9)，张紧装置用于将摩擦元件压靠在待驱动元件(4)上。张紧装置具有两个旋转角度杆(51)，具有相应的压力杆臂(53)和张紧杆臂(54)，它们通过张紧的拉伸弹簧(55)相互连接，使得压力杆臂作用在致动器的侧表面上，所述侧表面与具有摩擦元件的侧表面相对，以便致动器沿着接触部分被按压并在待驱动元件的方向上被其线性引导。

Description

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

从EP 2 200 101 A1中已知一种超声波电机，其中超声波致动器借助于多个弹簧保持，其中一个弹簧基本上平行于待驱动元件的运动方向。在这种已知的超声波电机中，超声波致动器的位移发生在待驱动元件的运动开始时以及停止运动时，这降低了待驱动元件的定位精度。

此外，从EP 2 258 004 B1中已知一种超声波电机，其中超声波致动器通过限位挡块保持在其两个侧表面上。限制挡块有效地防止致动器在待驱动元件的启动和停止期间移位。在此，通过作用在致动器的一侧表面上的两个独立的弹簧，实现将摩擦元件压靠在待驱动元件上-类似于上面引用的EP 2 200 101 A1。然而，通过使用两个独立的弹簧，不可能在每个致动器侧确保完全相同的接触压力，当待驱动元件在两个相对的驱动方向上移动时，这会干扰到电机操作的对称性。

发明内容

因此，本发明的目标技术问题是提供一种超声波电机，能够相对于驱动方向进行对称的电机操作，从而实现提高的定位精度。

该问题通过根据权利要求1所述的超声波电机来解决，其中随后的从属权利要求至少构成了有利的其他实施例。

因此，假设一种超声波电机，其包括致动器，致动器为压电板的形式具有两个主表面和至少四个侧表面，所述两个主表面具有最大面积，所述至少四个侧表面将所述主表面彼此连接，至少一个摩擦元件设置在所述侧表面的至少一个上。此外，所述超声波电机包括：待驱动元件，所述待驱动元件与所述致动器的所述摩擦元件主动接触并通过其驱动；张紧装置，所述张紧装置用于将所述至少一个摩擦元件压靠在所述待驱动元件上；以及热补偿平台，所述热补偿平台具有邻接部分，所述致动器的相关侧表面邻接所述邻接部分，以便所述致动器的位移只能沿邻接的侧表面。

根据本发明所述的超声波电机的特征在于，所述张紧装置具有两个旋转安装的旋转角度杆，其中，每个旋转角度杆包括张紧杆臂和压力杆臂，所述两个压力杆臂通过张紧的拉伸弹簧相互连接，从而拉力可施加在每个所述旋转角度杆上。作用在相应的张紧杆臂的远端部分上的所述拉伸弹簧的拉力将扭矩引入所述旋转杆的角度，使得每个所述压力杆臂以限定的力作用在所述致动器的所述侧表面上，所述侧表面与设置有所述至少一个摩擦元件的侧表面相对，以便所述致动器沿着所述邻接部分被按压并在所述待驱动元件的方向上被其线性引导。

有利地是，选择所述热补偿平台及其材料的长度，使其温度相关长度的变化等于所述压电板的温度相关长度的变化与所述邻接部分的温度相关宽度的变化之和，以便在所述温度变化时，所述致动器基本上没有压力。术语“长度的变化”是指在所述热补偿平台和所述压电板的最大几何延伸方向上或沿着其最大几何延伸方向的尺寸的变化，即其长度的变化。另一方面，术语“宽度的变化”是指在垂直于所述邻接部分的最大几何延伸的方向上的尺寸的变化。该方向基本上与所述热补偿平台和所述压电板的长度方向一致。

还有利地是，每个所述邻接部分具有一个基部和两个翼部，每个所述翼部具有自由端，所述致动器与其相应的或相关的侧表面邻接在所述自由端上，其中，所述翼部通过连接腹板连接至所述基部，优选地通过公共连接腹板。

另外，有利地是，每个所述邻接部分具有基部和两个壁部，所述致动器与其相应的侧表面邻接在所述两个壁部上，每个所述壁部通过至少一个连接腹板连接至所述基部，优选地通过公共连接腹板和紧固腹板。

此外，可有利地是，至少一个翼部或至少一个壁部的共振频率Fs等于或大于所述致动器的工作频率Fa。

另外，可有利地是，所述致动器相对于所述邻接部分设置成使每个连接腹板和/或每个紧固腹板在操作中可位于所述致动器的相应侧表面上产生的变形振动的相应速度最小值的范围内。

另外，可有利地是，所述致动器相对于所述旋转角度杆设置成使一个所述压力杆臂与所述致动器之间的相应接触点在操作中可处于所述致动器的相应侧表面上产生的变形振动的相应速度最小值的范围内。

利用上述致动器的有利布置，所述致动器在其操作期间对其中引起的变形振动的干扰最小或影响最小，从而产生所述致动器的高效率。

附图说明

在附图中：

图1：根据本发明的超声波电机的实施例的分解图。

图2：根据本发明的超声波电机的另一个实施例的分解图。

图3：图示15：根据本发明的超声波电机的致动器的前视图；图示16：根据图示15的致动器的后侧视图；图示17：用于说明在根据本发明的具有电励磁装置的超声波电机中根据图示15和图示16的致动器的可能连接的框图。

图4：图示31和图示32：计算出的根据本发明的超声波电机的致动器的变形状态；图示33：计算出的根据本发明的超声波电机的致动器的侧表面点的轨迹。

图5：图示34：组装状态下根据图1的超声波电机；图示35：在第一位置处根据图示34的超声波电机的截面；图示36：在第二位置处根据图示34的超声波电机的截面。

图6：图示37和图示40：根据本发明的超声波电机的邻接部分的实施例。

图7：图示64：与致动器的工作频率Fa相比，翼部或壁部的弯曲振动的第一模式的共振频率Fs的位置；图示45和图示46：计算出的根据图示37的邻接部分的翼部的变形；图示47和图示48：计算的根据图示40的邻接部分的壁部的变形。

图8：图示49：根据本发明的超声波电机的侧视图，示出了作用在致动器上的接触力；图示50：根据图示49的超声波电机的俯视图，示出了其部件的热膨胀。

图9：图示56：根据本发明的超声波电机的致动器的实施例的立体图；图示57：根据图示56的致动器的前侧视图；图示58：根据图示56的致动器的后侧视图；图示59：示出了根据本发明的具有电励磁装置的超声波电机中根据图示56至图示58的致动器的可能连接的框图。

图10：根据本发明具有根据图9的致动器的超声波电机的分解图。

图11：图示60：根据本发明的超声波电机的致动器的实施例的立体图；图示61：根据图示60的致动器的前侧视图；图示62：根据图示60的致动器的后侧视图；图示63：示出了根据本发明的具有电励磁装置的超声波电机中根据图示60至图示62的致动器的可能连接的框图。

图12：根据本发明具有根据图11的致动器的超声波电机的分解图。

具体实施方式

在下文中，术语“超声波电机”和“电机”同义使用。这同样适用于术语“超声波致动器”和“致动器”或“热补偿平台”和“平台”。

图1示出了根据本发明的用于线性运动的超声波电机的实施例。在该情况下，超声波电机包括超声波致动器1，其为具有两个主表面和四个侧表面的压电板2的形式，所述两个主表面具有最大面积，所述四个侧表面将两个主表面彼此连接。摩擦元件3设置在侧表面的一个上，并设置用于与待驱动的杆状元件4的摩擦层5进行摩擦接触。应注意，在图1中待驱动元件4打断示出。

超声波电机还包括热补偿平台6，该热补偿平台具有邻接部分7，致动器的相应的或相关的侧表面支撑在该邻接部分上，且致动器通过该邻接部分线性引导。邻接部分7通过螺钉8固定在热补偿平台6上，而热补偿平台6本身借助于固定元件11安装在电机或装置壳体10上。摩擦元件3借助于张紧装置9压靠在待驱动元件4的摩擦层5上。通过护盖12防止或限制致动器1的可能的横向位移，即沿着主表面的表面法线的位移。待驱动元件4可由设置在壳体10上的轴承13移动地支撑。绝缘中间轴承14将致动器1与平台6或护盖12电绝缘和/或声学绝缘。

图2示出了根据本发明的用于旋转运动的超声波电机的可能实施例，其中，待驱动元件4被配置为圆盘。也可想到待驱动元件的其他实施例，例如，圆柱或轴的形式。

图3的图示15和图示16示出了根据本发明的超声波电机的致动器1的前侧或上侧以及后侧或下侧。致动器1的压电板2显示有主表面18和侧表面19和20。压电板2还显示有长度L、宽度B和厚度D。励磁电极21、22和通用电极23、24位于主表面18上。由此，通用电极23和24可配置为公共电极。具有设置在它们之间的压电陶瓷材料的电极对21、23和22、24形成用于声驻波25和26的发生器。发电机25、26也可实现为多层结构的形式，其中电极21、23和22、24的层和压电陶瓷层交替地设置在彼此之下(图3中未示出)。摩擦元件3设置在致动器1的板2的一个侧表面19上。根据图3的图示17，其示出了根据图示15和图示16的致动器的可能驱动变型的框图，致动器1电连接至电励磁装置，该电励磁装置包括用于电交流电压U1的发电机27和用于电交流电压U2的发电机28，交流电压U1和U2具有与致动器1的工作频率Fa相对应的相同频率。通过开关29和30将电压U1和U2施加到致动器1上。

取决于致动器的期望操作模式，仅电压U1或电压U2可施加到发电机25和26的电极21和23或22和24。在这种情况下，在具有发电机25和26的致动器1中仅产生一个声驻波。产生的波的长度近似等于致动器1的压电板L的长度。这意味着在致动器1中产生声波的第二模式。另外，两个电压U1和U1可施加到电极21、23和22、24。在这种情况下，在致动器1中利用发电机25和26产生两个长度L的相移声驻波。电励磁装置也可仅由一个用于电压U1的发电机27组成。该电压可施加到发电机25的电极21和23或发电机26的电极22和24。

如果在致动器1中产生具有工作频率为Fa的声驻波，则致动器1根据图4的图示31和图示32中所示的方式振荡。因此，侧表面19和20的材料点在图示33中所示的轨迹上移动。这里可以看出，最大振动幅度出现在侧表面19的中心部分(即L/2处)，即侧表面19的材料点的振动速度的最大值。最小振动幅度(即振动速度的最小值)位于距侧表面20约1/4L的距离处。侧表面20的材料点的最小振动幅度或最小振动速度位于侧表面20的中心部分(即B/2处)。由于摩擦元件3设置在侧表面19的最大振动速度处，因此摩擦元件沿最大线性轨迹移动，从而将最大驱动力传递到待驱动元件4，因而，致动待驱动元件4。如果在致动器1中产生两个声驻波，则表面19和20的材料点的轨迹可具有椭圆形状。

图5的图示34以组装的形式示出了根据图1的超声波电机。图5的图示35示出了在垂直于方向S1的平面中螺钉8的高度处的电机的部分的截面。螺钉6将邻接部分7压靠在热补偿平台6的外周侧上。邻接部分7的高度H比压电板2的厚度D大约0.2至0.3mm。结果，在板2和平台6之间以及板2和盖12之间产生距离36。这些距离36使得螺钉8能够固定邻接部分7而不将板2夹紧在平台6和护盖12之间。图5的图示36示出了在垂直于方向S2的平面中穿过紧固元件11的螺钉的高度处的电机的部分的截面。紧固元件11位于热补偿平台6的中央部分中并用于将电机固定在壳体10上或设备上。螺纹孔和螺钉、非螺纹孔和销或其他合适的紧固元件可用作紧固元件。

图6的图示37示出了邻接部分7的可能实施例，所述邻接部分具有带有通孔的基部和翼部38，它们通过公共连接腹板39整体地或一体地连接到基部。因此，翼部38仅固定在一侧并具有自由且未安装的远侧部分。滑动表面44设置在翼部38上。

图6的图示40示出了邻接部分7的另一个可能实施例，该邻接部分具有与图6的图示37相同的基部，两个壁部41通过连接腹板39和两个紧固腹板43一体地或单件地连接到该基部。与翼部38相反，壁部41因此没有自由或未安装的部分，如图6的图示37所示。滑动表面44也设置在壁部41上。

当安装电机时，邻接部分7及其滑动表面44压靠在压电板2的前表面上，以消除表面20和44之间的距离。随后，用螺钉8将邻接部分7固定在平台6上，使得连接腹板39停留在板2的侧表面20的区域中，在操作期间，由于在致动器中励磁的变形振动，其中形成了侧面20的振动速度的最小值。在操作期间振荡的致动器1又使翼部38和壁部44与其侧表面20一同振荡。

选择翼部38或壁部41的厚度T，使得翼部38或壁部41的弯曲振动的第一模式的共振频率Fs等于或大于致动器1的工作频率Fa，如图7的图示64所示，其中，Af是翼部38或壁部41的振动幅度。翼部38或壁部41如图7的图示45至图示48所示地振动。

图8的图示49对应于根据本发明的超声波电机的侧视图，以示出了作用在致动器上的接触力；而图8的图示50对应于根据图示49的超声波电机的俯视图，以示出了其部件的热膨胀。设置在致动器1上的摩擦元件3通过张紧装置9压靠在待驱动元件4的摩擦层5上，该张紧装置包括安装在轴52上的两个旋转角度杆51。每个旋转角度杆51具有压力杆臂53和张紧杆臂54。在致动器操作期间发生最小变形振动速度的区域中，压力杆臂53与致动器1的侧表面9接触。由拉伸弹簧55产生并沿相反方向引导的两个相等大的力Kf作用在张紧杆臂54上。作用在每个张紧杆臂上的力Kf在旋转杆的相应角度中产生扭矩，这就是为什么由于旋转杆的角度的可旋转安装，每个压力杆臂以限定的力可作用在致动器1的侧表面19上。

具有拉力Kd＝2Kf的弹簧55将致动器1或摩擦元件3压靠在待驱动元件4的摩擦表面5上。因此，接触力Kd由两个相等大小的力Kf组成。根据本发明的超声波电机的张紧装置9的特性在于力Kf总是相同的。这有效地防止了致动器1在邻接部分7之间倾斜。

由于在邻接部分7的翼部38或壁部41中在操作期间产生弯曲振动，因此致动器1相应的滑动表面44和相应的前表面20之间的摩擦力显著减小。因此，具有摩擦元件3的致动器1可垂直于摩擦层5自由移动。由于连接腹板39和紧固腹板43位于振动致动器1的侧表面20的最小振动区域中，因此致动器1上的声学负载在邻接部分7的部分上显著减小。邻接部分7可靠地防止致动器1平行于摩擦层5而移动。这显著提高了待驱动元件4的定位精度。

如果致动器1或由于超声波电机本身的操作或由于环境温度的增加而升温，则致动器1、邻接部分7和热补偿平台6膨胀。致动器的温度相关膨胀通过长度L的一半用ΔL表示，邻接部分7的宽度S的该部分用ΔS表示，平台6的长度P的该部分用ΔP表示(参见图8的图示50)。热膨胀ΔL和ΔS在两个相反的方向上发生，因此在没有反制的情况下引起致动器1在两个邻接部分7之间的压缩。由于热补偿平台6被保持在其中心区域且邻接部分7被固定到它们的周边区域，因此平台6的温度膨胀ΔP部分或完全地由邻接部分7的温度膨胀ΔS来补偿。为了完全补偿或完全防止致动器1的压缩，必须遵守条件ΔP＝ΔL+ΔS。在遵守这种条件的情况下，致动器1不会受到压缩，既不会增加也不会降低温度。为了保持所示的比例，必须考虑到热补偿平台6、致动器1和邻接部分7的热膨胀系数来选择平台6的长度P。

图9的图示56以立体图示出了根据本发明的具有双倍长度L的超声波电机的致动器1的结构，其中产生了声驻波的第四模式。图示57和图示58示出了根据图示56的致动器1的前侧和后侧。图9的图示59示出了关于根据图示56至图示58的致动器1的可能连接/控制的框图，该致动器具有电励磁装置，该电励磁装置在其中形成声波。

图10示出了根据本发明具有根据图9的致动器的超声波电机的实施例的分解图。

图11的图示60以立体图示出了根据本发明的超声波电机的致动器1的另一个实施例。因此致动器具有方形压电板2的形状，其中，压电板2的长度L等于或基本等于其宽度B。图11的图示61和图示62示出了根据图11的图示60的致动器1的前表面和后表面。图11的图示63示出了根据图示60至图示62的具有电励磁装置的致动器1的可能连接或控制的框图。在方形致动器中，沿着压电板2的对角线的斜波的第二模式由此被励磁，或沿着方形板2的两个对角线产生两个对角线声波。

图12以分解图示出了根据本发明的超声波电机的实施例，该超声波电机具有根据图11的致动器。

Claims (7)

1.一种超声波电机，包括：

—致动器(1)，所述致动器为压电板(2)的形式具有两个主表面(18)和至少四个侧表面(19、20)，所述两个主表面具有最大面积，所述至少四个侧表面将所述主表面彼此连接，其中，至少一个摩擦元件(3)设置在所述侧表面(19)的至少一个上；

—待驱动元件(4)，所述待驱动元件与所述致动器(1)的所述摩擦元件(3)主动接触并通过其驱动；

—张紧装置(9)，所述张紧装置用于将所述至少一个摩擦元件(3)压靠在所述待驱动元件(4)上；

—以及热补偿平台(6)，所述热补偿平台具有邻接部分(7)，所述致动器(1)的相关的侧表面(20)邻接所述邻接部分，以便所述致动器(1)的位移只能沿邻接的侧表面(20)，

其特征在于，所述张紧装置(9)包括两个旋转角度杆(51)，其中，每个所述旋转角度杆(51)包括一个张紧杆臂(54)和一个压力杆臂(53)，并且其中，所述两个张紧杆臂(54)通过张紧的拉伸弹簧(55)相互连接，所述拉伸弹簧(55)的拉力在所述旋转角度杆(51)上施加扭矩，使得每个所述压力杆臂(53)以限定的力作用在所述致动器(1)的侧表面(19)上，所述侧表面与设置有所述至少一个摩擦元件(3)的侧表面(19)相对，以便所述致动器沿着所述邻接部分(7)被按压并在所述待驱动元件(4)的方向上被其线性引导。

2.根据权利要求1所述的超声波电机，其特征在于，所述热补偿平台(6)的长度及其材料被选择为使其温度相关的长度的变化等于所述压电板(2)的温度相关的长度的变化与所述邻接部分(7)的温度相关的宽度的变化之和，以便在温度变化时所述致动器(1)基本上没有外部施加的压力。

3.根据权利要求1或2所述的超声波电机，其特征在于，每个所述邻接部分(7)具有一个基部和两个翼部(38)，每个所述翼部具有自由端，所述致动器(1)以其相应的侧表面(20)邻接在所述自由端上，其中，所述翼部(38)通过连接腹板(39)连接至所述基部，优选地通过公共连接腹板。

4.根据权利要求1或2所述的超声波电机，其特征在于，每个所述邻接部分(7)具有一个基部和两个壁部(41)，所述致动器(1)以其相应的侧表面(20)邻接在所述两个壁部上，其中，每个所述壁部(41)通过至少一个连接腹板(39)，优选地通过公共连接腹板，以及紧固腹板(43)连接至所述基部。

5.根据权利要求3或4所述的超声波电机，其特征在于，至少一个翼部(38)或至少一个壁部(41)的共振频率Fs等于或大于所述致动器(1)的工作频率Fa。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的超声波电机，其特征在于，所述致动器(1)相对于所述邻接部分(7)设置成，使每个连接腹板(39)和/或每个紧固腹板(43)在操作中可位于所述致动器(1)的相应侧表面(19)上产生的变形振动的相应速度最小值的范围内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的超声波电机，其特征在于，所述致动器(1)相对于所述旋转角度杆(51)设置成，使一个所述压力杆臂(53)与所述致动器(1)之间的相应接触点在操作中可处于所述致动器(1)的相应侧表面(20)上产生的变形振动的相应速度最小值的范围内。