CN110291710B - 粘滑式压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电马达100，其包括致动部分，该致动部分包括致动表面106和压电堆叠102，压电堆叠102可响应于电压的施加来操作以使所述致动表面沿着致动轴线116在缩回位置与延伸位置之间移动。弹簧带112部分围绕致动部分并且可操作以朝向缩回位置偏压致动表面，并且可移动部分108、110与致动表面以摩擦方式接合。电压经选择使得可移动部分在致动表面朝向缩回位置和延伸位置中的一个移动时粘着到致动表面，并且在致动表面朝向缩回位置和延伸位置中的另一个移动时在致动表面上滑动。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年1月18日提交的共同未决的美国临时申请号62/447,694的优先权，其全部内容以引用方式完全并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种压电马达。
背景技术
使用马达来产生设备的所期望移动或操作。可使用压电马达来产生小的移动并占用小的空间。
发明内容
在一个构造中，一种压电马达包括致动部分，所述致动部分包括致动表面和压电堆叠，所述压电堆叠可响应于电压的施加来操作以使所述致动表面沿着致动轴线在缩回位置与延伸位置之间移动。弹簧带部分围绕所述致动部分并且可操作以朝向所述缩回位置偏压所述致动表面，并且可移动部分与所述致动表面以摩擦方式接合。所述电压经选择使得所述可移动部分在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的一个移动时粘着到所述致动表面，并且在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的另一个移动时在所述致动表面上滑动。
在另一构造中，一种压电马达包括：压电堆叠，其可响应于电压的施加沿着致动轴线移动；以及板，其包括一对相对的致动表面，所述板固定地附接到所述压电堆叠，使得所述板响应于所述压电堆叠的移动在缩回位置与延伸位置之间移动。弹簧带围绕由压电堆叠和板限定的周边的相当一部分延伸并且可操作以朝向所述缩回位置偏压所述板。一对垫中的每个可与所述致动表面中的一个接合，并且弹簧头可与该对垫中的每个接合以使该对垫中的每个偏压成与相应致动表面摩擦接合，使得该对垫中的每个在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的一个移动时粘着到所述相应致动表面并且在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的另一个移动时在所述致动表面上滑动。
在仍另一构造中，一种压电马达包括：压电堆叠，其可响应于电压的施加来操作以沿着致动轴线移动；板支撑件，其固定地附接到所述压电堆叠；以及板，其包括固定地附接到所述板支撑件的一对致动表面，所述致动表面可响应于所述压电堆叠的移动在缩回位置与延伸位置之间移动。弹簧带至少部分围绕所述压电堆叠、所述板支撑件和所述板并且可操作以朝向所述缩回位置偏压所述板。弹簧带与板支撑件配合以限定壁，所述壁至少部分围绕所述致动表面中的每个的周边并且在垂直于所述致动轴线的方向上延伸超出所述致动表面中的每个。一对垫中的每个可与所述致动表面中的一个接合，并且弹簧头可与该对垫中的每个接合以使该对垫中的每个偏压成与相应致动表面摩擦接合，使得该对垫中的每个在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的一个移动时粘着到所述相应致动表面并且在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的另一个移动时在所述致动表面上滑动。
附图说明
为容易识别任何特定元件或动作的论述，附图标记中的一个或多个最高有效数字指代其中首先引入该元件的图号。
图1是压电微马达的透视图。
图2是图1的马达的分解图。
图3是图1的马达的透视图，其示出弹簧头的移动。
图4是图1的马达的侧视图。
图5是图1的马达的正视图。
在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明在其应用上并不限于在以下描述中阐述或在以下附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实施或执行。而且，应理解，本文中使用的措辞和术语是出于描述目的并且不应视为限制性的。本文中“包括”、“包括有”或“具有”及其变型的使用意指包括其后列举的项及其等同物以及额外项。除非另外规定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型广泛地使用并且包括直接和间接安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”并不限于物理或机械连接或联接。
具体实施方式
图1示出呈压电微马达形式的马达100。马达100被布置成使用粘滑操作原理操作，如下文将更详细描述的。如图1和图2中示出的，马达100包括具有压电堆叠102、板支撑件104、板（strip）106和弹簧带112的致动部分。马达100还包括具有第一垫108、第二垫108和弹簧头110的可移动部分。图1的马达100被布置成沿着马达100的致动轴线116线性移动弹簧头110。
继续参考图1，压电堆叠102按大致立方体形式（例如，2 mm x 2 mm x 2 mm）布置，而其它形状和尺寸是可能的。压电堆叠102在两个相对侧面上包括焊垫114，其中每个焊垫被布置成接纳向压电堆叠102提供呈可变电压信号形式的功率的电引线。
板支撑件104使用粘合剂或其它形式的附接件固定地附接到压电堆叠102。板支撑件104包括被尺寸设计和布置成接纳板106的凹槽202。在优选构造中，板106使用粘合剂或其它附接系统固定地附接到板支撑件104。在优选构造中，板支撑件104由金属物质形成，而其它构造可视需要使用其它材料。
板106是优选地由陶瓷材料形成的细长矩形或长方体（cuboid）构件。当然，可使用其它材料（诸如钢、其它金属或非金属）作为板106。如图2中示出的，板106包括第一致动表面216和与第一致动表面216相对的第二致动表面218。围绕并限定第一致动表面216和第二致动表面218的端部的边缘限定周边118的一部分。参考图1和图5，可见，弹簧带112和板支撑件104配合以限定完整周边118。因此，弹簧带112围绕板106的三个边缘以限定周边118的一部分，其中板支撑件104的顶部使周边118完整。
第一垫108和第二垫108中的每个优选地由陶瓷材料（例如，蓝宝石）制成，而其它非金属或金属材料是可能的。用于板106、第一垫108和第二垫108的材料以及表面光洁度经选择以提供期望的摩擦关系。具体来说，材料、光洁度和尺寸经选择以提供期望的摩擦系数和移动所需的力，但还提供期望的“粘性”水平，如下文将论述的。
参考图2，第一垫108和第二垫108为在垫108的中心中各自包括孔204的大致相同的柱形部件。在一些构造中，孔204为简单凹口。在其它构造中，孔204穿过垫108，而还有其它构造具有仅部分进入到垫108中的孔204。
弹簧头110是优选地由弹簧钢或另一类似材料形成的大致U形构件。第一点206形成于弹簧头110的一端处，而第二点206形成于弹簧头110的相对端处以限定一对相对的点。每个点206被布置成接合第一垫108和第二垫108中的一个的孔204，以允许弹簧头110围绕在这些点之间延伸的轴线的枢转移动。弹簧头110被布置成使用弹簧力来以期望的力水平（即，垂直力）将每个垫108压靠在板106的相应致动表面216, 218上以产生马达100的期望操作。另外，并且如图3中示出的，弹簧头110的布置及其到第一垫108和第二垫108的附接允许弹簧头110相对于马达100的其它部分的若干个自由度的移动。
弹簧带112为包括开放底部和V形顶部的由弹簧钢或其它相似材料形成的大致矩形构件。如图1和图5中示出的，弹簧带112被尺寸设计成部分封闭压电堆叠102、板支撑件104和板106。V形顶部210接合板106并且提供板106和板支撑件104抵靠压电堆叠102的向下压缩力，这非常类似于板弹簧（leaf spring）。该预加载增强马达100的操作，如下文将论述的。
参考图3，弹簧带112比板106宽，使得其延伸超出周边118以限定壁302。壁302与板支撑件104配合以封闭周边118并且抑制垫108从致动表面216, 218的脱离。
在操作中，循环电压施加到压电堆叠102以产生期望移动。电压产生压电堆叠102的扩展，而反复扩展产生弹簧头110的期望移动。具体来说，压电堆叠102的扩展产生各自固定地附接到压电堆叠102的板支撑件104和板106的对应移动。为了将压电堆叠102的小移动（通常几微米）放大到弹簧头110的期望移动（不到1毫米至几毫米），马达100使用粘滑原理操作。具体来说，以足够低的速率施加电压，使得当板106在第一方向上移动时每个垫108保持粘着到板106，从而移动每个垫108。换句话说，粘着摩擦未克服。在行程结束时，电压被快速移除，使得由弹簧带112产生的弹簧力和压电堆叠102的缩回足够快，以克服粘着摩擦并允许每个垫108与板支撑件104之间在第二方向上的相对移动。重复该循环，直到实现所期望运动。
例如并且参考图5，在一个操作中，期望使弹簧头从第一或缩回位置向上移动到延伸位置，在该第一或缩回位置中垫108邻接或几乎邻接板支撑件104，在该延伸位置中垫108邻接或几乎邻接弹簧带112的V形顶部210。为了向上移动，施加电压信号，其产生以相对慢的速率朝向延伸位置502的压电堆叠102的扩展和板106的对应移动。该慢的速率经选择以保证垫108与板106之间的粘着摩擦未克服，并且垫108以及弹簧头110朝向延伸位置502向上移动。一旦压电堆叠102到达其完全延伸位置，该电压信号便反向以允许（并导致）压电堆叠102的缩回。该电压信号使得返回以高得多的速率发生，以保证垫108与板106之间的粘着摩擦被克服，并且板106在垫108的下方缩回并滑动而不移动垫。虽然该运动是关于朝向延伸位置502的移动描述的，但电压信号可反向以产生朝向缩回位置504的类似移动。
弹簧带112向板106施加预压缩或预加载，以在移除或反向电压之后有助于将板106推回到其初始位置。另外，弹簧带112围绕板106以抑制每个垫108的不需要的侧向移动。
在优选构造中，马达100的总长度小于5 mm，而其它构造可视期望包括更长或更短的马达。马达100能够在由合适控制器或微处理器驱动时视需要产生不到1毫米至几毫米的受控运动。
在以下权利要求中阐述本发明的各种特征和优点。
Claims (22)
1.一种压电马达，包括：
致动部分，其包括致动表面和压电堆叠，所述压电堆叠可响应于电压的施加来操作，以使所述致动表面沿着致动轴线在缩回位置与延伸位置之间移动；
弹簧带，其部分围绕所述致动部分并且可操作以朝向所述缩回位置偏压所述致动表面；以及
可移动部分，其与所述致动表面以摩擦方式接合，其中，所述电压经选择使得所述可移动部分在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的一个移动时粘着到所述致动表面，并且在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的另一个移动时在所述致动表面上滑动，
其中，所述压电堆叠在两个相对侧面上包括焊垫，每个焊垫接纳向所述压电堆叠提供功率的电引线。
2.根据权利要求1所述的压电马达，其中，所述致动部分包括固定地附接到所述压电堆叠的板，其中，所述板的形状为长方体，并且其中，所述致动表面包括所述板的两个相对表面。
3.根据权利要求2所述的压电马达，其中，所述致动部分还包括直接且固定地附接到所述压电堆叠的板支撑件，并且其中，所述板固定且直接地附接到所述板支撑件。
4.根据权利要求2所述的压电马达，其中，所述弹簧带包括V形部分，所述V形部分接触所述板以朝向所述缩回位置偏压所述板。
5.根据权利要求2所述的压电马达，其中，所述弹簧带围绕所述致动表面的一部分以至少部分限定在垂直于所述致动轴线的方向上延伸超出所述致动表面的壁。
6.根据权利要求2所述的压电马达，其中，所述弹簧带由弹簧钢形成。
7.根据权利要求2所述的压电马达，其中，所述可移动部分包括一对垫，并且其中，每个垫接合所述板的所述两个相对表面中的一个。
8.根据权利要求7所述的压电马达，其中，所述可移动部分还包括弹簧头，所述弹簧头接合所述一对垫中的每个垫并且使每个垫偏压成与所述致动表面摩擦接合。
9.根据权利要求8所述的压电马达，其中，所述一对垫中的每个垫为盘形并且包括接纳所述弹簧头的凹口和孔中的一个。
10.一种压电马达，包括：
压电堆叠，其可响应于电压的施加沿着致动轴线移动；
板，其包括一对相对的致动表面，所述板固定地附接到所述压电堆叠，使得所述板响应于所述压电堆叠的移动在缩回位置与延伸位置之间移动；
弹簧带，其围绕所述压电堆叠和所述板的一部分延伸并且可操作以朝向所述缩回位置偏压所述板；
一对垫，每个垫可与所述致动表面中的一个接合；以及
弹簧头，其可与所述一对垫中的每个垫接合并且可操作以使所述一对垫中的每个垫偏压成与相应致动表面摩擦接合，使得所述一对垫中的每个垫在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的一个移动时粘着到所述相应致动表面，并且在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的另一个移动时在所述致动表面上滑动，
其中，所述压电堆叠在两个相对侧面上包括焊垫，每个焊垫接纳向所述压电堆叠提供功率的电引线。
11.根据权利要求10所述的压电马达，其中，所述板的形状为长方体。
12.根据权利要求10所述的压电马达，其中，所述弹簧带包括V形部分，所述V形部分接触所述板以朝向所述缩回位置偏压所述板。
13.根据权利要求10所述的压电马达，其中，所述弹簧带由弹簧钢形成。
14.根据权利要求10所述的压电马达，其中，所述弹簧带围绕所述致动表面中的每个的一部分以限定在垂直于所述致动轴线的方向上延伸超出每个致动表面的壁。
15.根据权利要求10所述的压电马达，其中，所述一对垫中的每个垫为盘形并且包括接纳所述弹簧头的凹口和孔中的一个。
16.根据权利要求15所述的压电马达，其中，所述弹簧头包括一对相对点，并且其中，所述一对点中的每个点接合所述一对垫的所述垫中的一个的凹口和孔中的一个。
17.根据权利要求10所述的压电马达，其中，所述板由陶瓷材料形成，并且所述垫由陶瓷材料形成。
18.根据权利要求17所述的压电马达，其中，所述垫由蓝宝石形成。
19.一种压电马达，包括：
压电堆叠，其可响应于电压的施加来操作以沿着致动轴线移动；
板支撑件，其固定地附接到所述压电堆叠；
板，其包括固定地附接到所述板支撑件的一对致动表面，所述致动表面可响应于所述压电堆叠的移动在缩回位置与延伸位置之间移动；
弹簧带，其至少部分围绕所述压电堆叠、所述板支撑件和所述板并且可操作以朝向所述缩回位置偏压所述板，所述弹簧带与所述板支撑件配合以限定壁，所述壁围绕所述致动表面中的每个的周边并且在垂直于所述致动轴线的方向上延伸超出所述致动表面中的每个；
一对垫，每个垫可与所述致动表面中的一个接合；以及
弹簧头，其可与所述一对垫中的每个垫接合并且可操作以使所述一对垫中的每个垫偏压成与相应致动表面摩擦接合，使得所述一对垫中的每个垫在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的一个移动时粘着到所述相应致动表面，并且在所述致动表面朝向所述缩回位置和所述延伸位置中的另一个移动时在所述致动表面上滑动，
其中，所述压电堆叠在两个相对侧面上包括焊垫，每个焊垫接纳向所述压电堆叠提供功率的电引线。
20.根据权利要求19所述的压电马达，其中，所述弹簧带包括V形部分，所述V形部分接触所述板以朝向所述缩回位置偏压所述板。
21.根据权利要求19所述的压电马达，其中，所述一对垫中的每个垫为盘形并且包括接纳所述弹簧头的凹口和孔中的一个。
22.根据权利要求21所述的压电马达，其中，所述弹簧头包括一对相对点，并且其中，所述一对点中的每个点接合所述一对垫的所述垫中的一个的凹口和孔中的一个。
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