CN110383668A - 压电电动机 - Google Patents

Abstract

本发明包括具有U形的外壳下部(1)和安装罩(2)的压电电动机。压电致动器(3)安装在两个夹爪(6)之间。平面的导轨(15)在压电致动器的两侧形成在所述外壳下部中。圆形截面的支承元件(7)布置在夹爪与导轨之间。压力件(8)支撑在外壳罩与支承元件之间，所述压力件将支承元件压在夹爪上。在此，压力件(8)与外壳下部的导轨一起形成V形引导件。

Description

压电电动机

技术领域

本发明涉及一种压电电动机(piezo motor)，其包括在专利权利要求1的上位概念中限定的特征。

背景技术

例如从WO 2013/034146 A2已知这样的具有压电驱动装置的电动机。电动机的磁芯为由压电陶瓷制成的扁平长方体形式的致动器。电极布置在压电致动器的两个相对的主表面上。通过将确定的电压或励磁电压施加至电极，以特定的频率出现压电致动器的目标周期性变形。由于这些周期性变形的频率处于超声波范围中，所以这样的压电电动机也被称作超声波电动机。压电致动器的周期性变形传输至布置在压电致动器的长侧表面上的摩擦元件，使得摩擦元件的前端跟随限定的运动路径。所述运动路径使得压在待驱动元件上的摩擦元件沿期望的驱动方向在所述元件上施加力，并且因此使所述元件沿着所述驱动方向运动。如果颠倒励磁电压，则压电致动器沿相反的方向驱动所述待驱动元件。

通过前述压电电动机，立方形的压电致动器被夹紧在由两个L形框架部组成的矩形框架中。该框架几乎将压电致动器完全封闭，并且只有布置有摩擦元件的侧表面没有被框架封闭。两个框架部由牢固的弹簧夹保持在一起，并且以无反冲地保持在框架中的方式压在压电致动器上。

前述压电电动机还具有由U形外壳下部和具有弹簧部的平坦外壳罩组成的两件式的外壳。框架能够滑动地安装在外壳中，使得其能够几乎不受阻碍地沿待驱动元件的方向(x方向)与布置在其中的压电致动器一起运动，同时防止沿横向方向(y方向)或向上或向下(z方向)的不期望的运动。引导沟槽设置在外壳下部的内侧与框架的下侧之间以及框架的顶部与外壳罩之间。这些引导沟槽平行于压电致动器的端面而延伸，或者与压电致动器坐落有摩擦元件的长侧面成直角地延伸。引导沟槽分别包含支承元件，所述支承元件被设计为WO 2013/034146A描述的实施例中的圆柱形滑动销。外壳罩的弹性部在滑动销上施加压力，使得具有压电致动器的框架精确地安装在外壳中。两个螺旋弹簧挤压具有压电致动器的框架，并且因此沿具有直棒形状的待驱动元件的方向挤压摩擦元件。压电致动器沿摩擦元件的方向(即，横向于被止挡元件限制的待驱动元件)的位移用于补偿能够由于制造以及摩擦元件的磨损或者待驱动元件的摩擦表面的磨损而产生的公差。

电动机的精密度及其效率明确地依靠经由摩擦元件引入到压电致动器中的反作用力没有导致压电致动器的不期望的位移的事实。支承布置需要是相应地刚性的。

在根据WO 2013/034146 A2的设计中，压电致动器靠在矩形框架的侧壁上，并且引入的力矩经由框架传输至位于底部与罩之间的支承元件而进入外壳。框架和将框架保持在一起的弹簧夹需要被设计为相应地稳定。容纳支承元件并且将其平行引导的V形凹陷也需要是精确和稳定的，从而有效地防止压电致动器的不期望的运动，尤其是沿横向方向，即，平行于待驱动元件的前进方向。进一步不利的是所述设计包括大量单独的部件，其中的一些制造复杂，并且组装也相应地复杂。最后，所述设计导致明显超过压电致动器的厚度的整体高度。

发明内容

本发明因此基于如下的技术问题：提供一种具有最佳效率的高精确度压电电动机，其由容易制造、容易组装的少量单独的部件组成，并且特征在于整体高度低。

该问题的解决方案基于根据第一专利权利要求的上位概念的压电电动机。所述目的由在第一专利权利要求的特征部分指示的特征解决。

根据本发明的压电电动机包括具有两个夹爪的夹具，所述两个夹爪彼此间具有一定距离地布置，并且将压电致动器夹在它们之间并将其存放在外壳中。平面的导轨布置在外壳中-在立方形的压电致动器的情况下在端面的两侧，以及在中空圆柱形的压电致动器的情况下在指向径向外侧的周向表面的两侧，所述导轨在外壳中平行于压电致动器的期望的运动的方向(即，大致垂直于待驱动元件的驱动方向)而延伸。在外壳的支承元件与弹性部之间存在专用的压力件，所述压力件与在外壳中的平面的导轨一起形成V形沟槽形式的引导件。在外壳的弹性部的压力下，压力件将支承元件压在夹爪上，并且同时支承元件被支撑和置于由压力件和相关的导轨形成的V形沟槽的中心。

之前并且随后在其他地方结合几何形状而使用的术语“基本上”意在始终表达本身能够没有任何疑义地识别出由其指定的几何形状，但是并不完全与其一致，而是大部分与其相同。如果结合数值和方向来使用术语“基本上”，则描述与对应的数值或方向最大5％的偏差。

在根据本发明的设计中，基本上平行于压电致动器的长的或者平面的侧表面而作用的力被转移至横向于致动器而布置的夹爪，并且从这些夹爪转移至支承元件，而且经由压力件转移到外壳中。由于需要吸收力的全部必要的部件基本上处于相同的轴线，所以除了外壳本身，没有经受弯曲的中间部件。公差，由于制造或因老化或温度造成的尺寸偏差而产生的尺寸偏误，由于对于支承布置的精确度至关重要的全部部件的弹性压缩而被自动补偿。

本发明的另一大优点在于整个发动机仅由很少的零件组成。对于压电致动器安装的精确度和运动的容易性至关重要的部件，即，夹爪、支撑元件以及压力件，当组装压电电动机时被简单地插入到外壳中并且自动地到达它们的正确位置。由于能够采用粘合或者其他接合技术，所以能够免除配合连接件、夹紧连接件或者滑入连接件、或者甚至诸如支架的额外的连接装置。由于支承元件位于压电致动器的端面上或者外周表面上，并且压电致动器大部分以自由浮动的方式保持在夹爪之间，所以基本上只有压电致动器的厚度或直径确定电动机要求的总高度。

支承元件被设计为减小外壳与夹爪之间的摩擦，并且能够因此由具有优化的摩擦学特性的专用塑料组成。原则上，支承元件能够具有几乎任何形状，例如像具有矩形或棱柱形截面的滑动销那样。

可以有益的是，至少一个压力件具有倒角部。同样能够有益的是，至少一个压力件具有大致三角形的截面。这使得通过倒角表面或者通过基本上三角形的压力件的对应的侧表面和相关的导轨容易地形成V形式的引导件。

在本发明的有益且有利的设计中，引导沟槽形成在夹爪的外侧。圆形截面的支承元件位于由压力件和指派的平面的导轨共同形成的V形引导件与对应的引导沟槽之间。在该设计中，引导件或引导沟槽限定压电致动器在外壳中的位置，尤其是与外壳的内部的距离。将压电致动器夹在其间的两个夹爪形成能够运动地安装在外壳的形成U形支腿的侧壁的内侧的托架的类型。楔形的压力件将它们自身支撑在外壳上并且将支承元件推入到布置在夹爪的外侧的引导沟槽中，凭此支承元件由于它们的圆形截面而将它们本身置于V形引导件或者引导沟槽的中心。

两个圆柱形支承元件(一个支承元件用于一个夹爪)将足以使压电致动器精确地定位在外壳的中间，并且同时确保沿x方向(即，沿朝向待驱动元件的方向或者大致垂直于待驱动元件的驱动方向)无阻碍地运动。然而，球形的支承元件是优选的，凭此建议每个夹爪使用两个球形的支承元件。

在本发明的另外的、有益且有利的设计中，两个短的引导沟槽包含在夹爪的每个外侧，每个引导沟槽容纳球形的支承元件。引导沟槽的长度限制球的滚动路径，使得球不能彼此拥挤。通过两个相同设计的支承元件的横向支承确保了夹爪在外壳中的准确的平行引导。相比于圆柱形支承销，球形的支承元件具有如下的优点：它们在引导沟槽中滚动，即，它们是不如滑动轴承对污染敏感的滚动轴承。

有益地，夹爪在它们面对的内侧具有对准中心表面，压电致动器线接触地支撑在所述对准中心表面上。这允许压电致动器将自身置于中心，使得其被优化并且优选地在外壳中准确地在水平方向上对准。优选地倾斜的对准中心表面形成支撑或抵接，并且使压电致动器以确定的距离在外壳的基座与罩之间保持平行。夹爪与压电致动器之间的线接触只是最低程度地损害致动器的振动能力，使得这类的支承确保最大的电动机效率。

在根据本发明的压电电动机的另一个有益的设计中，夹爪具有原则上对应于大L的底层平面。以这种方式形成的夹爪不但抓住压电致动器的外周面的窄端面，而且平行于压电致动器的与布置有摩擦元件的侧表面相反的平面侧表面少量延伸。有益地，夹爪被设计为仅仅由于它们的镜像布置而形成右夹爪或者左夹爪的同样的部件。

至少一个弹簧有益地位于夹爪与外壳的后侧壁之间。优选地，在每个夹爪与外壳之间存在弹簧，所述弹簧优选被设计为螺旋弹簧。这些弹簧挤压两个夹爪并且经由所述两个夹爪沿待驱动元件的方向挤压压电致动器，从而不管由任何制造公差和老化引起的磨损，也保证摩擦元件与待驱动元件的表面之间恒定的接触压力。

在特别优选的实施例中，外壳被设计为两部分并且包括在两侧开口的外壳下部以及可附接的外壳罩。当组装时，外壳罩封闭外壳下部的一个开口侧。外壳罩具有所述弹性部。

有益地，外壳下部具有与夹爪中的对应的开口相互作用的保持部。这用于限制压电致动器沿着基本上垂直于待驱动元件的驱动方向的期望的运动方向运动。

通过执行在专利权利要求13中列出的制造步骤能够非常容易且快速地组装以这种方式设计的压电电动机。

附图说明

在下文中使用附图来描述本发明的实施例：

图1以从前侧的立体图示出了具有矩形压电致动器的压电电动机；

图2示出了具有待驱动元件的图1的压电电动机；

图3以立体分解图示出了图1的压电电动机的单独的部件；

图4a以主视图示出了图1的压电电动机；

图4b以平面图示出了图1的压电电动机；

图5a示出了沿着图4b中的线A-A切割的图1的压电电动机；

图5b示出了沿着图4b中的线A-A的水平截面；

图6以立体图示出了具有中空圆柱形压电致动器的压电电动机；

图7以立体分解图示出了图6的压电电动机；

图8a以主视图示出了图6的压电电动机；

图8b以平面图示出了图6的压电电动机。

具体实施方式

图1和图2所示的压电电动机具有基本上矩形的外壳，所述外壳包括具有基本上U形截面的浴盆状的外壳下部1，以及平坦平面的外壳罩2。外壳罩2通过四个沉头螺钉紧固至外壳下部1。

外壳的前侧大幅地开口，使得在图1中能够清楚地看到插入外壳的压电致动器3。压电致动器3具有平坦长方体的形状，并且在其面向观察者的前侧或者在其长侧表面上携带摩擦元件4。

如能够从图2看出的，摩擦元件4指向待驱动元件5的方向，所述待驱动元件5在此具有带有矩形截面的棒状并且横向于摩擦元件4而延伸。激发压电致动器3以超声波范围内的频率振动，凭此摩擦元件4的末端被置于振动运动中，这最后导致待驱动元件5的横向运动(沿图2所示的箭头的方向)。

在图3所示的立体分解图中，能够清楚地看到组成压电电动机的单独的部件。

外壳下部1具有基本上矩形的底层平面，并且截面为U形。外壳下部1具有平坦的底部11，形成U形支腿的封闭的后壁12和两个侧壁13。宽的凹陷几乎占据整个前侧。在底部11与侧壁13之间的过渡处，形成平面的导轨15，所述导轨15与底部11成基本上45度的斜角。在前拐角的区域以及在后壁12的区域，已经做出总共四个螺纹孔16。大约在外壳下部1的中间，两个销状的保持部18沿竖直方向从底部11向上延伸。

外壳罩2是平坦和平面的。平行的狭缝限定出两个窄的弹性部21，所述两个窄的弹性部21从中间的对称轴向左、右延伸。外壳罩2具有与螺纹孔16对准的四个安装孔22。

压电致动器3具有带有两个相对的主表面31以及总共四个平坦侧表面的平坦长方体的形状。两个侧面为长侧面32，而两个侧面为形成端面33的短侧面。摩擦元件4指向前侧地固定在长侧面32的中间。两个大约正方形的励磁电极34位于面向上方的主表面31上。在此不能看到相对的主表面上的共用对电极。

两个夹爪6具有基本上对应于大L的形状的底层平面，所述大L的形状具有基本上平行于压电致动器3的端面33而延伸的长L支腿，以及基本上平行于后长侧面32的短L支腿。夹爪6在它们相互指向或指向压电致动器3的端面33的方向的内侧分别具有短的对准中心表面61，所述对准中心表面布置在假想的V上。夹爪6的内侧表面在两个对准中心表面61之间是平面的。

夹爪6稍微高于压电致动器3。在平行于压电致动器3的后长侧表面32延伸的L支腿上，夹爪6携带形成V形保持表面的、小的、倾斜的支撑凸耳62。

两个短引导沟槽63位于夹爪6的每个外侧。这些引导沟槽63用于容纳能够在引导沟槽63中小距离地前后滚动的球形的支承元件7。引导沟槽63在其相应的前端和后端处的形状像截锥体，对应于(在组装后)坐落在这些引导沟槽63中的支承元件7的球形。

夹爪6分别具有贯通开口64，在所述贯通开口64中接合有外壳下部1的保持部18。这限制了夹爪6的运动，并且因此限制了被夹住的压电致动器3沿着运动方向运动。

图3的分解图还示出了两个镜像的压力件8，所述压力件8为棒状并且基本上平行于夹爪6的外侧或者压电致动器3的端面33而对准。在对应的直角三角形的斜边指向夹爪6的方向的情况下，压力件8基本上具有直角三角形形式的截面。短的突出部81大约形成在压力件8的中间，所述突出部81具有半圆形截面并且在每种情况下与下外壳部1的相应的侧壁上的同样是半圆形的凹陷17对应。

压力件8的突出部81与外壳相互作用，从而使得压力件8不会沿平行于压电致动器3的运动方向的方向上位移，并且以确定的力将压力件8夹在外壳与支承元件7之间。

两个夹爪6是相同的，只是镜像地布置。两个压力件8也是同样的部件。形成支承元件7的四个球也是相同的。

在此被设计为圆柱状的盘簧的两个相同的弹簧9使压电电动机的单独的部件的清单完整。在压电电动机的组装状态下，弹簧在预加载力的作用下插入外壳下部1的后壁12与夹爪6之间，并且沿朝向外壳的开口的前侧的方向在夹爪上施加力，使得同样沿朝向外壳的开口的前侧的方向挤压压电致动器3，凭此通过确定的力将摩擦元件4压在待驱动元件5上。起因于弹簧9的压缩力的夹爪6的运动或位移以及因此的压电致动器3的运动或位移被强有力地限制，并且由相关的开口64中的保持部18的游隙限定，凭此保持部18的直径对应地小于开口64的直径。

当组装具有平坦、矩形的压电致动器的压电电动机时，两个夹爪6靠着压电致动器3的端面33放置，并且随后向下插入到外壳下部1中。四个球形的支承元件7随后插入到夹爪6的对应的引导沟槽63中。然后安装弹簧9。最后，插入两个压力件8并且拧上外壳罩2。

具体地，图4a的主视图以及图5a中的切口示出了压电致动器3如何夹在夹爪6之间，以及夹爪6本身如何以压电致动器能够专门沿待驱动元件的方向(x方向)运动而不能与其成直角地运动(即，沿y方向或者沿z方向)的方式通过球形的支承元件7安装在外壳中。

如能够具体地从图5a看出的，截面基本上三角形的压力件8与下外壳部1的倾斜布置的导轨15一起形成V形引导沟槽的形式的两个平行的引导件，所述引导件大约接纳球形的支承元件7的一半。球形的另一半容纳在夹爪6上的对应的引导沟槽63中。在将外壳罩2安装或紧固至外壳下部1之后，在安装期间只是宽松地插入的压力件8被外壳罩2的弹簧加载部21压在球形的支承元件7上。支承元件7将该压力传输至夹爪6。由于它们的在附图平面中的圆形截面(参见图5b)，支承元件7在引导沟槽69以及由压力件8和导轨15形成的相对的引导件中将其自身置于中心。

压电致动器3的端面33与主表面31之间的边缘只具有与夹爪6的V形中心面61的线接触。这也使压电致动器3将其本身置于中心，使得其基本上平行地且在预定的高度处位于外壳下部1的底部与外壳罩2之间。压电致动器3只具有与夹爪6的线接触。因此，压电致动器3能够不受阻碍地大幅振动。

图6至图8b示出了根据本发明的压电电动机的另一个设计，其相比于图1至图5b所示的压电电动机具有带有中空圆柱形的压电致动器，但是大部分与图1至图5b所示的压电电动机相同，这是为什么下文只涉及存在的差别。

中空圆柱形的压电致动器3在其作为压电致动器3的主表面31的指向径向外侧的周向表面上具有多个励磁电极34，所述多个励磁电极34彼此间隔开并且基本上是矩形的。大致完全覆盖主表面31的共用对电极35布置在同样代表压电致动器3的主表面31的指向径向内侧的周向表面上。

球形部或者半球形式的两个沿直径相对的摩擦元件4布置在图6的面对观察者的平面侧表面32上。

夹爪6以其只与中空圆柱形的压电致动器3的沿着周向延伸的外边缘接触的方式确定形状。夹爪6具有对准中心表面61，所述对准中心表面61设置在夹爪6的面对观察者的端部以及夹爪6的背向观察者的端部二者处。

每个压力件8具有大致正方形的截面，一个边缘设置有倒角，压力件因此具有与导轨15的倾斜表面一起形成大致V形的引导沟槽的倒角部82。

当组装具有中空圆柱形的压电致动器的压电电动机时，两个夹爪6被施加至压电致动器3的指向径向外侧的外周表面的在直径方向上相反的部分，并且随后向下插入到外壳下部1中。四个球形的支承元件7随后插入到夹爪6的对应的引导沟槽63中。最后插入两个压力件8并且拧上外壳罩2。

参考标号

1 外壳下部

2 外壳罩

3 压电致动器

4 摩擦元件

5 驱动元件

6 夹爪

7 支承元件

8 压力件

9 弹簧

11 (来自1的)底部

12 后壁

13 侧壁

14 凹陷

15 导轨

16 螺纹孔

17 凹陷

18 保持部

21 (2的)弹性部

22 安装孔

31 (3的)主表面

32 侧面

33 端表面

34 励磁电极

35 共用对电极

61 (来自6的)对准中心表面

62 支撑凸耳

63 引导沟槽

64 开口

81 (8的)突出部

82 (8的)倒角部

Claims (13)

1.一种压电电动机，包括：

外壳，其具有至少一个开口，所述外壳包括弹性部(21)；

待驱动元件(5)，其沿驱动方向被驱动；

压电致动器(3)，其插入所述外壳并且具有布置在其一个平面侧面(32)上的摩擦元件(4)，至少所述摩擦元件(4)从所述外壳的所述开口突出并且设置为用于与所述待驱动元件(5)接触；

夹具，其包括两个间隔开的夹爪(6)，所述两个间隔开的夹爪将所述压电致动器(3)夹在它们之间并且将其支撑在所述外壳中，使得所述压电致动器(3)能够专门沿朝向所述待驱动元件(5)的方向运动，其中所述朝向所述待驱动元件(5)的方向大致垂直于所述驱动方向定向并且限定所述压电致动器(3)的运动方向；

至少一个弹簧(9)，其将所述压电致动器(3)压在所述待驱动元件(5)上；

平面的导轨(15)，其至少布置在所述外壳的部分中，并且平行于所述压电致动器(3)的所述运动方向而延伸；

支承元件(7)，其布置在所述夹爪(6)与所述导轨(15)之间，并且具有圆形截面；

其特征在于，压力件(8)被夹在所述外壳的所述弹性部(21)与所述支承元件(7)之间，所述压力件与所述外壳的所述导轨(15)一起形成V沟槽形式的引导件，并且所述支承元件(7)被所述压力件(8)压在所述夹爪(6)上。

2.根据权利要求1所述的压电电动机，其特征在于，至少一个所述压力件(8)具有倒角部(82)。

3.根据权利要求1所述的压电电动机，其特征在于，至少一个所述压力件(8)具有大致三角形的截面。

4.根据前面权利要求中的一项所述的压电电动机，其特征在于，每个所述压力件(8)具有突出部(81)，所述突出部(81)与所述外壳协作使得所述压力件(8)不会沿平行于所述压电致动器(3)的所述运动方向的方向位移，并且特征在于每个所述压力件(8)通过确定的力被夹在所述外壳与所述支承元件(7)之间。

5.根据前面权利要求中的一项所述的压电电动机，其特征在于，在每个所述夹爪(6)中设置有用于所述支承元件(7)的至少一个引导沟槽(63)。

6.根据权利要求5所述的压电电动机，其特征在于，在所述两个夹爪(6)中的每个与所述外壳之间布置有两个球形的支承元件(7)，其中，针对每个球形的支承元件在所述夹爪(6)中设置有其自己的引导沟槽(63)。

7.根据前面权利要求中的一项所述的压电电动机，其特征在于，所述夹爪(6)在其相互面对的内侧具有对准中心表面(61)，所述压电致动器(3)线接触地支撑在所述对准中心表面上。

8.根据前面权利要求中的一项所述的压电电动机，其特征在于，每个所述夹爪(6)为大致L形，并且分别抓住所述压电致动器(3)的拐角周围。

9.根据前面权利要求中的一项所述的压电电动机，其特征在于，所述夹爪(6)为相同的设计。

10.根据前面权利要求中的一项所述的压电电动机，其特征在于，所述至少一个弹簧(9)布置在所述夹爪(6)与所述外壳的侧壁之间。

11.根据前面权利要求中的一项所述的压电电动机，其特征在于，所述外壳由两部分组成，具有下外壳部(1)和外壳罩(2)，所述下外壳部(1)在两侧开口，所述外壳罩(2)具有所述弹性部(21)，并且所述外壳罩(2)在组装状态下封闭所述下外壳部(1)的一个开口侧。

12.根据权利要求11所述的压电电动机，其特征在于，所述外壳下部(1)具有用于限制所述压电致动器(3)沿着所述运动方向的运动的保持部(18)，所述保持部(18)与所述夹爪(6)中的对应的开口(64)协作。

13.一种制造根据权利要求12所述的压电电动机的方法，包括以下制造步骤：

将所述压电致动器(3)插入所述夹具的所述夹爪(6)之间；

在所述外壳中布置弹簧(9)；

将其中保持有所述压电致动器(3)的所述夹具插入到所述外壳中，使得所述保持部(18)接合在所述夹具的所述开口(64)中，同时对布置在所述外壳与所述夹具之间的所述弹簧(9)施加张力，由于所述保持部(18)在所述夹具的所述开口(64)中的接合，限制所述压电致动器(3)沿着所述运动方向的运动；

将所述支承元件(7)插入所述夹爪(6)与所述外壳之间；

在与相关的导轨(15)相对的位置处将所述压力件(8)插入所述外壳下部(1)与分别相关的夹爪(6)之间，使得相应的突出部(81)与所述外壳的对应的凹陷(14)接合；

将所述外壳罩(2)放置并固定在所述外壳下部(1)上，使得所述突出部(81)压在所述外壳罩(2)的相关的弹性部(21)上，并且使其弹性地弯曲，由此沿分别相关的导轨(15)的方向在所述压力件(8)上施加对应的压缩力，使得除了所述待驱动元件(5)和所述弹簧(9)，所述压电电动机的全部单独的部件彼此施加张力。