CN109417125A - 超声致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空心圆柱形超声致动器，包括中心轴线、面向该中心轴线的内周表面和远离该中心轴线并且与该内周表面间隔开的外周表面，其中在垂直于该中心轴线的横截面中，该内周表面限定闭合的内轮廓曲线并且该外周表面限定封闭的外轮廓曲线，并且该内周表面和该外周表面各自在其上布置有至少一个电极，以及在相对的电极之间设置机电材料，以及通过电致动电极，在该超声致动器中可以激励振动变形，这些振动变形可用于驱动与该超声致动器摩擦接触的元件。该发明的特征在于在该超声致动器的非致动状态中，该内轮廓曲线和/或该外轮廓曲线的曲率包括至少三个间隔开的局部最大点。本发明还涉及这种空心圆柱形超声致动器在支撑装置上的布置。此外，本发明涉及这种空心圆柱形超声致动器在驱动器中的用途。

Description

超声致动器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的超声致动器以及一种根据权利要求6的这种超声致动器在支撑装置上的布置。
背景技术
未公开的德国申请10 2015 120 282.4公开了一种由机电材料制成的并且包括电极的空心圆柱形超声致动器，所述电极布置在其内周表面上和其外周表面上。当电极以合适的方式施加电压时，可以分别在超声致动器和机电材料中激励变形振动，这些变形振动可用于驱动待驱动的元件。
空心圆柱形超声致动器本身被支撑成使得它基本上是静止的并且被固定以防止旋转，因此它将相对于相应的支撑件不进行移动或者至多可以忽略不计的移动，并且因此，待驱动的元件的驱动将尽可能有效。
所讨论的支撑件通过壳体的芯轴实现，壳体的外周几何形状与空心圆柱形超声致动器的内周几何形状互补，超声致动器的一个平坦端面位于硅橡胶盘上，它通过偏置弹簧压在超声致动器上，并且偏置弹簧本身放在另一硅橡胶盘上，该硅橡胶盘紧靠在壳体上。
上述情况是不利的，因为所讨论的支撑件相对复杂并且因此难以安装以及相对成本高。另一缺点在于，尽管支撑件的结构设计复杂，但是当比较高的扭矩作用于超声致动器时，防止超声致动器相对于该支撑件的转动相对移动只能以不令人满意的方式实现。当超声致动器相对于支撑件的芯轴发生转动相对移动时，存在布置在内周表面上的电极或该电极的电连接可能被破坏或分离的风险，因此，如果没有适当的拆卸和修理，将不再能够进一步操作超声致动器。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种空心圆柱形超声致动器，即使高扭矩作用在该超声致动器上，该超声致动器将完全或大部分地避免超声致动器相对于其支撑件以可靠、简单和便于安装的方式的转动相对移动。
该目的通过根据权利要求1的超声致动器实现。权利要求1的从属权利要求至少表示有利的进一步发展。
本发明的另一个目的是提供一种这种超声致动器在支撑装置上的布置。该目的通过根据权利要求6的布置实现，权利要求6的从属权利要求至少表示有利的进一步发展。
因此，以具有中心轴线ZA的空心圆柱几何形状的超声致动器为基础，超声致动器包括面向中心轴线的内周表面和背离中心轴线的外周表面。由内周表面限定或包围的或环绕的区域具有区域中心，通过该区域中心，与中心轴线重合的重心轴线在垂直于外接区域的方向上延伸。
由内周表面限定或环绕的区域在下文中也将被称为空心圆柱体的内部横截面区域。类似地，由外周表面环绕或限定的区域在下文中也将被称为外部横截面区域。
由垂直于中心轴线的横截面与内周表面形成的相交曲线限定内轮廓曲线，而与外周表面类似地形成的相交曲线限定外轮廓曲线。换句话说，内轮廓曲线是沿内部横截面区域的曲线，而外轮廓曲线是沿外部横截面区域的曲线。内轮廓曲线和外轮廓曲线都是相应的闭合曲线。
内周表面上布置有至少一个电极。同样地，外周表面上布置有至少一个电极，该电极至少部分地与布置在内周表面上的电极重叠。在布置在内周表面上的电极与布置在外周表面上的电极重叠的区域中，例如是压电材料或压电陶瓷材料的机电材料布置在相应的相对电极之间。通过向电极施加合适的电压，可以分别在超声致动器和机电材料中激励变形振动，这些变形振动可用于驱动，特别是用于旋转地驱动待驱动的元件，其与超声致动器摩擦接触。
根据本发明，内轮廓曲线和/或外轮廓曲线包括在超声致动器的未激励的并且因此未变形的状态中的至少三个间隔开的局部的最大曲率点和三个间隔开的局部的最小曲率半径点。这意味着内轮廓曲线和/或外轮廓曲线的曲率或曲率半径沿相应的外形改变一次以上。换句话说，内部横截面区域和/或外部横截面区域的曲线或轮廓或外廓具有随着周向角度改变而改变的曲率半径，使得内部横截面区域和/或外部横截面区域分别具有非圆形轮廓和非圆形外廓。由此得出，内轮廓曲线和/或外轮廓曲线具有偏离圆形形状的形状，并且特别是周期性地偏离圆形形状。
由于内周表面和外周表面的轮廓，根据本发明的超声致动器可以容易地保持或支撑在内周表面和/或外周表面上，使得超声致动器在操作时基本上不会发生任何位移或旋转。
可能有利的是，最大曲率点沿着内轮廓曲线和/或外轮廓曲线等距间隔开。
此外，最大曲率点的数量对应于奇数自然数可能是有利的。除了上述最小数量的三个局部最大曲率点之外，特别是五个局部最大曲率点可能是有利的。
当沿着内轮廓曲线和/或外轮廓曲线的曲率半径的变化具有连续性质时，也可能是有利的。根据特别有利的实施方式，轮廓曲线具有多边形的形状。术语“连续”在这里应理解为在几何意义上是连续的，即所讨论的锥形曲线不显示任何角或边缘，并且在其任何点上具有明确的切线。以这种方式可以避免超声致动器中的机械应力峰值。
此外，可能有利的是，内轮廓曲线的形状在几何形状上与外轮廓曲线的形状相似。因此，超声致动器的厚度在周边的所有点处在径向方向上是相同的，从而可以在机电材料内容易地实现均匀的电场。
本发明还包括上述超声致动器在支撑装置上的布置，该支撑装置在内部轮廓曲线呈现局部曲率最大值或相对于曲率半径的局部最小值的部分处接触超声致动器的内周表面。因此，可以存在内周表面的多个区域或部分，其中内部横截面区域的轮廓曲线呈现(局部)最小曲率半径，轮廓曲线的后续区域的曲率半径更大。
在此有利的是，支撑装置经由球形部分或经由球形元件接触超声致动器的内周表面。在这方面，当球形元件或球形部分可弹性变形时，证明是有利的。球形元件或球形部分提供与超声致动器的内周表面的可靠的明确接触。当提供可弹性变形的球形元件或球形部分时，没有必要观察紧密的尺寸公差。
此外，可能有利的是，支撑装置包括可弹性变形部分，优选地构造为挠性铰链。这也使得不必观察紧密的尺寸公差。
另外，可能有利的是，支撑装置具有星形几何形状，该几何形状具有从共同中心延伸的臂部分。
以特别有利的方式，每个臂部分的远端在其上布置有球形元件，并且每个臂部分包括与其一体形成并且构造为挠性铰链的可变形部分。
本发明还涉及上述超声致动器在驱动器中，优选地在转动或旋转驱动器中的使用。然而，也可以想象在线性驱动器中使用上述超声致动器，因为超声致动器的相应变形可以通过适当的激励来实现。
附图说明
在下文中，将参照各附图描述根据本发明的超声致动器的实施方式和关于这种超声致动器在支撑装置上的布置的实施方式。相同的参考标号这里指的是不同附图的相同组件，
其中，
图1显示表示(a)至(c)：不同视图的根据本发明的超声致动器。
图2显示表示(a)和(b)：如图1所示的根据本发明的超声致动器在不同的支撑装置上的布置。
图3显示表示(a)和(b)：如图1所示的根据本发明的超声致动器在其他可能的支撑装置上的布置。
具体实施方式
图1(a)以顶视图显示根据本发明的超声致动器1的可能实施方式。后者具有空心圆柱几何形状，包括中心轴线ZA、面向中心轴线的内周表面2和背离中心轴线的外周表面3。由内周表面2限定或包围的或环绕的区域具有区域中心，通过该区域中心，与中心轴线ZA重合的重心轴线在垂直于外接区域的方向上延伸。
由垂直于中心轴线的横截面与内周表面2形成的相交曲线限定内闭合轮廓曲线4，而与外周表面3类似地形成的交叉曲线限定外闭合轮廓曲线5。
内周表面2上布置有覆盖整个内周表面2的单一电极7，而外周表面3上布置有多个电极6，所述多个电极6分布在周边上方并且彼此间隔开。在各个相对的电极之间，即在相应电极6和电极7的重叠区域中，布置机电材料。
超声致动器的平坦端面8上布置有以半球体或部分球体形式的多个周向分布的摩擦元件9。这些球体用于与待驱动的元件摩擦接触，这在图1中未示出。通过向电极6和电极7施加合适的电压，可以在超声致动器的机电材料中激励变形振动。这些变形振动传播到摩擦元件9，并且然后摩擦元件9的相应移动可以传递到待驱动的元件，使得后者在最终分析中将执行期望的驱动移动。根据图1的超声致动器1在此优选地用于待驱动元件的转到驱动，但是也可以以这种方式实现线性驱动。
图1(b)以立体图显示根据图1(a)的超声致动器，而图1(c)以侧视图显示根据图1(a)的超声致动器。在图1(b)和图1(c)的基础上，特别是可以更清楚地看到布置在外周表面3上的电极6。
图2以表示(a)和(b)显示根据图1的超声致动器在不同支撑装置上的布置，如本发明所公开的。根据图2(a)，支撑装置10具有星形几何形状，其具有从公共中心14向外延伸的三个臂部分15，每个臂部分15与球形部分11和可弹性变形部分13一体形成。每个可变形部分13在此构造为挠性铰链。
球形部分11在内轮廓曲线4呈现与曲率半径相关的局部最小值和与曲率相关的局部最大值的部分处接触超声致动器1的内周表面2。
除了根据图2(a)的实施方式之外，根据图2(b)的支撑装置10包括臂部分15，每个臂部分具有两个腹板，每个腹板包括构造为挠性铰链的可变形部分13并且两个腹板在它们各自的远端处经由球形部分11彼此连接。支撑装置10的中心14构造成圆形部分，连接到圆形部分的该臂部分15的腹板的相应的另一端是整体连接的。
图3以表示(a)和(b)显示用于布置根据图1的超声致动器的支撑装置的两个附加实施方式。根据图3(a)，支撑装置10是星形并且包括三个臂部分15，它们在其各自的远端具有接收部分以用于分别接收和支撑可弹性变形的球形元件12。根据图3(b)的支撑装置10与图3(a)所示的支撑装置的不同之处仅在于挠性铰链形式的弹性可变形部分13与臂部分15一体形成。

Claims (12)

1.一种空心圆柱形超声致动器(1)，包括中心轴线(ZA)、面向所述中心轴线(ZA)的内周表面(2)、和远离所述中心轴线(ZA)并且与所述内周表面间隔开的外周表面(3)，其中在垂直于所述中心轴线(ZA)的横截面中，所述内周表面(2)限定闭合的内轮廓曲线(4)并且所述外周表面(3)限定封闭的外轮廓曲线(5)，并且所述内周表面(2)和所述外周表面(3)各自在其上布置有至少一个电极(6、7)，以及在相对的电极(6、7)之间设置机电材料，以及通过电致动所述电极，在所述超声致动器中可以激励振动变形，这些振动变形可用于驱动与所述超声致动器摩擦接触的元件，其特征在于，在所述超声致动器的非致动状态中，所述内轮廓曲线(4)和/或所述外轮廓曲线(5)包括或包含至少三个间隔开的局部最大曲率点。
2.根据权利要求1所述的空心圆柱形超声致动器，其特征在于，所述最大曲率点沿着所述内轮廓曲线和/或所述外轮廓曲线等距的间隔开。
3.根据权利要求1或2所述的空心圆柱形超声致动器，其特征在于，所述最大曲率点的数量对应于奇数自然数。
4.根据前述权利要求中任一项所述的空心圆柱形超声致动器，其特征在于，所述内轮廓曲线(4)和/或所述外轮廓曲线(5)的曲率沿其相应的外形连续变化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的空心圆柱形超声致动器，其特征在于，所述内轮廓曲线(4)的形状在几何上类似于所述外轮廓曲线(5)的形状，并且因此所述空心圆柱形超声致动器的厚度沿所述周边相等。
6.一种根据前述权利要求之一的所述空心圆柱形超声致动器在支撑装置(10)上的布置，其特征在于，所述支撑装置(10)接触所述超声致动器(1)的在所述内轮廓曲线(4)的曲率呈现局部最大值的部分处的所述内周表面(2)。
7.根据权利要求6所述的布置，其特征在于，所述支撑装置(10)经由球形部分(11)或经由球形元件(12)接触所述超声致动器(1)的所述内周表面(2)。
8.根据权利要求7所述的布置，其特征在于，所述球形部分(11)和/或所述球形元件(12)是可弹性变形的。
9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的布置，其特征在于，所述支撑装置(10)包括可弹性变形的部分(13)，优选地构造为挠性铰链。
10.根据前述权利要求6至9中任一项所述的布置，其特征在于，所述支撑装置(10)具有星形几何形状，所述星形几何形状具有从共同中心(14)延伸的臂部分(15)。
11.根据权利要求10所述的布置，其特征在于，每个臂部分(15)的远端上布置有球形元件(12)，并且每个臂部分(15)包括一体形成的并且配置为挠性铰链的可变形部分(13)。
12.一种根据权利要求1至5中任一项所述的空心圆柱形超声致动器在驱动器中的用途。
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