CN110546774B - 操作超声波电机的方法 - Google Patents
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Abstract
用于操作带有板形式的超声波致动器的超声波电机的方法以及提供用于激励超声波致动器的电激励设备，其中，超声波致动器包括至少四个相同的体积区域，四个相同的体积区域相对于超声波致动器的横切对称平面对称且相对于纵向对称平面对称地布置，并且每个体积区域形成用于形成声驻波的发生器以及用于形成静态弯曲变形的发生器，其中，电激励设备提供至少一个交流电压(U1)和两个静态电压E1、E2，并且至少一个交流电压U1在动态操作模式下同时施加到两个发生器上，以在超声波致动器中形成声驻波，两个静态电压E1、E2在静态操作模式下同时施加到所有发生器上，以形成超声波致动器的静态弯曲变形。
Description
技术领域
技术领域本发明涉及一种根据权利要求1至4所述的操作超声波电机的方法。
背景技术
由DE 10 2005 010 073 B4已知一种用于致动或操作超声波电机的方法，其中，待驱动元件的运动控制是通过声驻波和超声波致动器的静态弯曲来实现的，该声驻波通过以矩形板形式存在的超声波致动器产生。
在超声波致动器中，产生沿其长度L和高度H传播的声弯曲驻波、以及沿其长度L传播的声纵向驻波。
出于技术原因，将超声波致动器的压电板的厚度B限制为H/4，因此，由DE 10 2005010 073 B4已知的超声波电机不可能实现摩擦接触件的长度大于H/4。超声波电机可以产生的最大力和相应的机械功率受到限制。
如果需要更高的驱动力或更高的机械功率，则可以使用两个或多个并联连接或并联耦合的超声波电机。
但是，这种耦合的一个缺点是，超声波电机在工作(共振)频率方面实际上表现出广泛的分布。这是由于在超声波致动器的生产期间，由于技术原因引起的压电陶瓷密度和硬度的分布。
各个超声波电机的工作频率的差异导致并联的超声波电机的总功率的降低，并且由于一个电机的工作频率向另个一电机的传输或转换而导致不稳定的运行。
另外，使用多个电机带来更高的成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种操作超声波电机的方法，其中与现有技术中已知的方法相比，可以实现更高的驱动力、更大的机械功率和更高的操作稳定性的超声波电机。
该目的通过根据权利要求1的操作超声波电机的方法来满足，其中，随后的从属权利要求2至4表示至少有利的改进。
根据本发明的方法分为以下步骤。
-提供由压电材料或电致伸缩材料或磁致伸缩材料制成的板(2)形式的超声致动器(1)，板(2)的宽度B大于板(2)的厚度D且小于板(2)的长度L，并且板(2)包括两个主面(13，14)、沿长度延伸的两个侧面(15)、和沿宽度延伸的两个端面(16)，并且包括垂直于主面(13，14)和侧面(15)且平行于端面(16)延伸的横切对称平面S1、以及垂直于侧面(15)和端面(16)且平行于主面(13，14)延伸的纵切对称平面S2，其中，在超声波致动器(1)的至少一个端面(16)上布置有用于与待驱动元件(5)接触的摩擦元件(3)，并且超声波致动器包括至少四个相同的体积区域(19、20、21、22)，四个相同的体积区域(19、20、21、22)相对于横切对称平面S1对称地布置并且相对于纵切对称平面S2对称地布置，每个体积区域(19、20、21、22)与激励电极(27、38)和通用电极(28、39)一起布置在超声波致动器(1)上和/或之中形成用于形成声驻波的发生器(G1、G2、G3、G4)和用于形成静态弯曲变形的发生器(G1、G2、G3、G4)；
-提供电激励设备(50)，传递一个交流电压U1或两个交流电压U1、U2、并且传递两个静态电压E1、E2；
-将交流电压U1施加到四个发生器G1、G2、G3、G4中的两个的电极(27、28、38、39)、或将两个交流电压U1、U2中的一个施加到发生器G1、G2、G3、G4中的两个的电极(27、28、38)，并且将另一个交流电压U1、U2施加到另两个发生器G1、G2、G3、G4的电极(27、28、38、39)上，以在动态操作模式下的超声波致动器中形成声驻波，或者，将两个静电压E1、E2中的一个施加到四个发生器G1、G2、G3、G4中的两个发生器的电极(27、28、38、39)上、并将另一个静电压E1、E2施加到另两个发生器G1、G2、G3、G4的电极(27、28、38、39)，以在静态操作模式下形成静态弯曲变形。
动态操作模式和静态操作模式彼此独立地执行，并且优选地可以连续地执行使得动态操作模式之后是静态操作模式。
在动态运行模式下，或者将唯一的交流电压U1同时施加到四个发生器G1、G2、G3、G4中的两个，或者将两个交流电压U1、U2中的每个施加到由两个相互作用的发生器组成的一对发生器(即，例如U1施加到G1和G4以及U2施加到G2和G3)，以在超声波致动器中形成声驻波，而在静态操作模式下，两个静态电压E1、E2同时施加到所有四个发生器G1、G2、G3、G4以形成超声波致动器的静态弯曲变形。
可以有利的是，在动态操作模式下，当施加两个交流电压U1、U2时，两对发生器中的每一个都施加有相同的交流电压U1、U2，在超声波致动器中形成声驻波，声驻波对应于弯曲驻波的第二模式和纵向驻波的第一模式的叠加。
但也可以有利的是，在动态操作模式下，当施加两个交流电压U1、U2时，施加了交流电压U1、U2中的一个的两对发生器中的一对可以在超声波致动器中形成对应于弯曲驻波的第二模式的声驻波，并且，施加了另一个交流电压U1、U2的两对发生器中的另一对在超声波致动器中形成对应于声纵向驻波的第一模式的声驻波。
超声波致动器的静态弯曲变形发生在基本平行于端面延伸的平面中可以是有利的。
使超声波致动器的长度L与厚度D之比在3.5至4.5的范围内可以是进一步有利的。
将由摩擦元件的点的椭圆形轨迹、或由超声波电机待驱动元件的运动方向形成的表面垂直于超声波致动器的主面布置也是有利的。
此外，有利的是，用于形成声驻波并且用于形成静态弯曲变形的发生器G1、G2、G3、G4分别由交替布置在两个主面上的条形激励电极和条形通用电极形成，其中，条形电极平行于横切对称平面S1延伸，并且布置在条形电极之间的压电材料或电致伸缩材料或磁致伸缩材料的极化方向垂直于条形电极。
使相邻的条形电极之间的距离等于或小于超声波致动器的厚度D的一半是有利的。
另外，有利的是，用于形成声驻波和用于形成静态弯曲变形的发生器，是由彼此分开并布置在两个主面上的平面激励电极和布置在超声波致动器中的与超声波激励器的纵切对称平面S2相一致的单个平面通用电极形成，其中，布置在平面电极之间的压电材料或电致伸缩材料或磁致伸缩材料的极化方向垂直于平面电极。
另外，使超声波电机包括用于保持超声波致动器的夹持元件可以是有利的，其中，夹持元件布置在超声致动器中激励的声弯曲驻波的振荡速度的最小值的区域中。
附图说明
附图通过示意性示出的实施例的方式描述了本发明的更多细节，其中：
图1：示出了适于根据本发明的方法操作的线性驱动形式的超声波电机的实施例。
图2：示出了适于根据本发明的方法操作的旋转驱动形式的超声波电机的实施例。
图3：示出了适于根据本发明的方法操作的超声波电机的超声波致动器的几何结构。
图4：示出了根据图3的具有布置在前面一个端面上的摩擦元件的超声波致动器。
图5，图示23至图示26：示出了根据图3和图4的超声波致动器的不同视图以及超声波致动器的电极的可能的实施例。
图6，图示34至图示37：示出了根据图3和图4的超声波致动器的不同视图以及超声波致动器的电极的附加的可能实施例。
图7，图示46：示出了根据图5的具有布置在前面一个端面上的摩擦元件的超声波致动器的立体图；图示47：示出了根据图6的具有布置在后面一个端面上的超声波致动器的立体图。
图8，图示48：示出了根据图5的根据本发明的使用单个交流电压U1的方法操作超声波致动器的电路；图示49：示出了使用单个交流电压U1执行根据本发明的方法的电激励设备的框图。
图9，图示66和图示67：示出了在根据本发明的方法致动的超声波致动器中由于形成的弯曲驻波的第二模式(动态操作模式)而导致的最大变形状态；图示68和图示69：在根据本发明的方法致动的超声波致动器中由于形成的纵向驻波的第一模式(动态操作模式)而导致的最大变形状态。
图10：示出了根据本发明的方法致动的超声波致动器的摩擦元件的点的可能运动轨迹的图示(动态操作模式)。
图11，图示73和图示74：示出了在根据本发明的方法致动的超声波致动器中由于形成的静态弯曲变形(静态操作模式)而导致的最大变形状态。
图12：示出了根据本发明的方法致动的超声波致动器的摩擦元件的点的可能运动轨迹的图示(静态操作模式)。
图13，图示78：示出了根据图5的根据本发明的使用两个交流电压U1和U2的方法操作超声波致动器的电路；图示79：示出了使用两个交流电压U1和U2执行根据本发明的方法的电激励设备的框图。
图14，图示83：示出了根据图5的根据本发明的使用两个交流电压U1和U2的方法操作超声波致动器的电路；其中每个交流电压在超声波致动器中产生一个独立的驻波；图示84：示出了使用两个交流电压U1和U2执行根据本发明的方法的电激励设备的框图。
图15，图示85：示出了根据图6的根据本发明的使用单个交流电压U1的的方法操作超声波致动器的电路；图示86：示出了使用单个交流电压U1执行根据本发明的方法的电激励设备的框图。
图16，图示87：示出了根据图6的根据本发明的使用两个交流电压U1和U2的方法操作超声波致动器的电路；图示88：示出了使用两个交流电压U1和U2执行根据本发明的方法的电激励设备的框图。
图17，图示89：示出了根据图6的根据本发明的使用两个交流电压U1和U2的方法的操作超声波致动器的电路；其中每个交流电压在超声波致动器中产生一个独立的驻波；图示90：示出了使用两个交流电压U1和U2执行根据本发明的方法的电激励设备的框图。
图18：示出了适于根据本发明的方法进行操作的线性驱动器形式的超声波电机的实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的方法操作的线性驱动形式的超声波电机的实施例。超声波电机包括呈矩形压电板2形式的超声波致动器1，超声波致动器1具有两个表面积最大的主面13和14、沿着超声波致动器的长度延伸的两个侧面15以及沿着超声波致动器的宽度延伸的两个端面16。摩擦元件3安装在面向待驱动元件5的端面16上，摩擦元件3通过弹簧元件10以力F压在待驱动元件5的摩擦表面4上。
待驱动元件5实施为主体6，主体6通过轴承7在纵向方向上可滑动地安装在壳体8中。
超声波致动器1通过夹持元件9保持在壳体8中。
由弹簧元件10产生的接触力F通过隔音支撑件11作用在超声波致动器1上。
除了图1所示的杆状的待驱动元件5之外，待驱动元件5也可以被配置为板状、桌子或其他类似的形状。
带有标记v的箭头表示待驱动元件5的运动方向。
图2示出了适于以旋转驱动形式和本发明的方法操作的超声波电机的另一个实施例，其中待驱动元件5构造为盘状的旋转主体12。
旋转主体12也可以仅是盘的一部分，其中还可以设想其他形状，诸如环或环的一部分、圆柱体或圆柱体的一部分以及球体或球体的一部分。
图3示出了适于根据本发明的方法操作的超声波电机的超声波致动器的几何结构或几何比率。超声波致动器具有矩形板2的形状，其中该板完全由压电陶瓷制成。压电板2具有两个主面13、14、两个侧面15和两个端面16。板具有长度L、宽度B和厚度D，其中长度L与厚度D的比率在3.5至4.5之间。
长度与厚度的比率L/D确定了声弯曲驻波的第二模式的共振频率Fp2相对于声纵向驻波的第一模式的共振频率Fp1的位置，声弯曲驻波的第二模式相对于长度L纵向传播并且相对厚度D纵向传播，声纵向驻波的第一模式相对于长度L纵向传播。
在L/D的比率在3.5/4.5之间处，共振频率Fp2和Fp1彼此邻近或重合。
压电板2的宽度B大于其厚度D并且小于其长度L。
板2可以由垂直于侧面15并且平行于端面16延伸的虚拟的垂直对称平面S1划分。对称平面S1将长度L以及板2的主面13、14分为两个相等的部分。
另外，板2可以由垂直于端面16并且平行于主平面13、14延伸的虚拟的纵切对称平面S2划分。平面S2将板的厚度D以及板2的端面16划分为两个相等的部分。
点虚线17和点虚线18表示对称平面S1和S2与板2的表面13、14、15、16的相交线。两个平面S1和S2将板2划分为四个等体积区域19、20、21和22。
图4示出了根据图3的超声波致动器，在其一个端面16上布置有摩擦元件3。
超声波致动器1的板2被分成四个相等或相同的体积区域19、20、21和22，其中每个体积区域与相应的电极(图4中未示出)一起形成发生器G1、G2、G3、G4以形成声驻波并形成静态弯曲变形。在此，相应的发生器G1、G2、G3、G4可以由相应的体积区域19、20、21、22的总体积形成，或者仅由相应的体积区域的一部分形成。
图5中的图示23至图示26示出了根据图3和图4的超声波致动器的不同视图以及超声波致动器的电极的可能的实施例。
其中，图示23和图示26示出了侧面15上的电极结构，图示24和图示25示出了主面13和主面14上的电极结构。
各个发生器G1、G2、G3和G4包括分别布置在板2的主面13和主面14上的条形激励电极27和条形通用电极28，其中压电材料或压电陶瓷材料分别设置在相邻的条形电极27、28之间。带有标记p的箭头表示电极27和28之间的压电陶瓷材料的极化方向。
发生器G1包括布置在主面13上并且可以分配给体积区域19的条形激励电极27和条形通用电极28、以及布置在条形通用电极27和28之间的压电陶瓷材料。
发生器G2包括布置在主面13上并且可以分配给板2的体积区域20的条形激励电极27和条形通用电极28、以及布置在电极27和28之间的压电陶瓷材料。
发生器G3包括布置在主面14上并且可以分配给板2的体积区域21的条形激励电极27和条形通用电极28、以及布置在电极27和28之间的压电陶瓷材料。
最后，发生器G4包括布置在主面14上并且可以分配给板2的体积区域22的条形激励电极27和条形通用电极28、以及布置在电极27和28之间的压电陶瓷材料。
发生器G1的条形激励电极27具有布置在侧面15上的端子29，而发生器G2的条形激励电极27具有布置在相同的侧面15上的端子30。
发生器G3的条形激励电极27具有端子31，发生器G4的条形激励电极27具有端子32，其中端子31和端子32均布置在同一侧面15上，该侧面15与设置有端子29和2930的侧面相对。
通用条形电极28具有布置在两个侧面15上的端子33。
所有条形电极27和28平行于对称平面S1布置，并且电极27和28之间的压电板2的压电陶瓷材料的极化方向垂直于电极27和28。
相邻的条形激励电极27和条形通用电极28之间的距离k等于或小于压电板2的厚度D的一半。
条形电极27和28的宽度m在0.1mm至0.5mm之间的范围内。
条形电极27和28可以在镍的化学沉积过程中、或通过真空沉积、或通过铬、铜或镍的热沉积、或通过铬、铜、镍或金的离子等离子体溅射而施加到板2的主面13和主面14上。条形电极27和28的结构可以通过激光研磨、通过平版化学蚀刻、通过喷涂或在掩模印刷工艺中产生。
表面13表面和14上的条形电极27和28的数量仅受技术制造可能性的限制。
在具有根据图5的条形激励电极和通用电极27和28的发生器G1、G2、G3和G4中，压电系数d33用于激励超声波致动器中的声驻波。
图6以图示34至图示37示出了根据图3和图4的超声波致动器的不同视图以及超声波致动器的电极的另一个实施例。
图6的图示34示出了超声波致动器的侧视图，图示35示出了超声波致动器的底部视图，图示36示出了超声波致动器的顶部视图，并且图示37示出了与图示34所示的侧面相对设置的侧面15的视图。
在根据本发明的超声波电机的超声波致动器的该实施例中，各个发生器G1、G2、G3和G4包括平面激励电极38、平面通用电极39和布置在电极之间的压电陶瓷材料。
平面激励电极38布置在彼此间隔开的主面13和主面14上，而平面通用电极39布置在压电板2的与纵切对称平面S2重合的内面40上。
超声波致动器的压电材料的极化方向分别垂直于平面电极38和39。
发生器G1包括布置在主面13上并且可以分配给板2的体积区域19的平面激励电极38、以及布置在内面40上并且可以分配给体积区域19的平面通用电极39的部分。
发生器G2包括布置在主面13上并且可以分配给板2的体积区域20的平面激励电极38、以及布置在内面40上并且可以分配给体积区域20的平面通用电极39的部分。
发生器G3包括布置在主面14上并且可以分配给板2的体积区域21的平面激励电极38、以及布置在内面40上并且可以分配给体积区域21的平面通用电极39的部分。
发生器G4包括布置在主面14上并且可以分配给板2的体积区域22的平面激励电极38、以及布置在内面40上并且可以分配给体积区域22的平面通用电极39的部分。
发生器G1、G2、G3和G4的平面激励电极38的每一个包括基本上居中布置的电端子41、42、43和44，而平面通用电极39设置两个电端子45，其中每个电端子布置在侧面15上。
在根据图6的具有平面激励电极38和平面通用电极38和39的发生器G1、G2、G3和G4的实施例中，压电系数d31用于声驻波的激励。
平面激励电极38可以由材料制成，并且可以根据先前针对图5针对条形激励电极和通用电极所描述的技术来制造。
平面通用电极39位于内面40上，并且可以在惰性气体气氛中通过合成工艺与压电陶瓷板2的压电陶瓷材料一起由铜、银、钯或合金制成。平面通用电极39也可以由导电陶瓷材料制成。
图7的图示46示出了根据图5的超声波致动器的立体图，该超声波致动器具有布置在其一个端面16上的摩擦元件3；同时图7的图示47示出了根据图6的超声波致动器的透视图，超声波致动器具有布置在其一个端面16上的摩擦元件3。可以看出，在两种情况下，摩擦元件3相对于厚度D基本上布置在中心处，并且在超声波致动器1的整个宽度B上延伸。
图8的图示48示出了用于利用根据本发明的方法的操作根据图5的超声波致动器1的电路，其中超声波致动器1包括条形激励电极27和条形通用电极28，并且该电路包括分离电容器C1、C2、C3和C4以及分离电阻器R1、R2、R3和R4。
分离电容器C1、C2、C3和C4的电容优选等于或大于发生器G1、G2、G3和G4的电极27和28之间的致动器1的电容Co。
分离电阻器R1、R2、R3和R4的值优选地比电容Co的特性电阻Xo大5到10倍，其中Xo＝1/2pFgCo，Fg是超声波电机的工作频率。
图8的图示49示出了关于用于执行根据本发明的方法的电激励设备50的框图。
激励设备50包括一个用于在端子52处生成交流电压U1的单相发生器51、一个具有端子54、55和56的开关53、用于在端子58处生成静态控制电压Es的发生器57、用于端子61和62的静态电压的线性放大器59和60、以及具有输入端64的控制器63，其中施加静态电压E1和E2。
激励设备50的所有框具有通用输出65。
控制可以通过激励设备50在动态模式(动态操作模式)以及静态模式(静态操作模式)下进行。
分别利用根据图8或图15的动态单相控制发生器51提供具有频率Fg的电单相交流电压U1，频率Fg等于频率Fp2或等于频率Fp1、或者设置在这些频率之间或附近。
一方面，电压U1经由开关53的端子54以及电容器C1和C4施加到发生器G1和G4的激励电极27的端子29和32。另一方面，电压U1经由通用输出65施加到发生器G1和G4的通用电极28的输入33。
电压U1动态地控制发生器G1和G2，其中这些发生器同时在致动器1中产生相对于长度L纵向传播且相对于厚度D纵向传播(参见图9的图示66和图示67)的声弯曲驻波的第二模式、以及相对于长度L纵向传播的声纵向波驻波的第一模式(参见图9的图示68和图示69)。
图9中的图示66和图示67的虚线示出了当声弯曲驻波的第二模式在板2中传播时板2的最大变形的形状。
图9中的图示68和图示69的虚线示出了当声纵向驻波的第一模式在板2中传播时板2的最大变形的形状。
弯曲驻波和纵向驻波的叠加导致摩擦元件3的摩擦表面71的点70(以及其他点)在椭圆形轨迹72上沿箭头和标号Vd所示的方向连续移动，如图10所示。椭圆的形状及其相对于摩擦表面4的倾斜度取决于所选择的L/D比率。
点70的椭圆轨迹72和形成摩擦元件3的表面的其他点垂直于致动器1的压电板2的主面13和主面14设置。
由于摩擦元件3的摩擦表面71被力F压在待驱动元件5的摩擦表面4上，因此椭圆轨迹72导致待驱动元件5沿以+Vd方向指示的箭头方向连续运动。
当将开关53致动到与端子56的接触位置时(图8中的图示49的虚线)，电压U1到达发生器G2和G3的电极27和28的端子30和31，由此这些发生器被动态激励。
发生器G2和G3因此同时在致动器1中产生相对于长度L纵向传播且相对于厚度D纵向传播(参见图9的图示66和图示67)的声弯曲驻波的、以及相对于长度L纵向传播的声纵向驻波的第一模式(参见图9的图示68和图示69)。
当致动开关53时，在致动器1中传播的弯曲驻波与声纵向驻波之间的相移改变180°。这使点70在其轨迹72上的运动方向反向，由箭头和标号-Vd表示。这也使待驱动元件5的运动方向反向。然后，待驱动元件沿箭头和标号-Vd指定的相反方向移动。
待驱动元件5的运动方向(在图1、图2、图10、图12和图18中用箭头和标号V或Vd示出)垂直于致动器1的压电板2的主面13和主面14延伸。
在根据本发明的方法的动态操作模式中，待驱动元件5的驱动路径原则上不受限制，而由摩擦元件3和待驱动元件5的摩擦表面71和4的表面粗糙度确定待驱动元件5的最小驱动步长。在最佳情况下，驱动步长的长度在0.05微米至0.1微米之间。
根据本发明的方法的静态操作模式如下：首先，通过将开关53移动到与端子55的接触位置来停止动态操作模式。在开关53的该位置，发生器G1、G2、G3和G4由于没有将电压U1施加到电极27和28上，因此不再动态驱动。
动态电压发生器57在端子58处提供静态控制电压Es，该电压可以通过值0在+Es到-Es的范围内变化。该电压被线性放大器59和60放大。
然后将静态电压E1施加到放大器59的端子61并且通过值0在+Es到-Es的范围内变化。反相的静电电压E2被施加到放大器60的端子62并且在-E至+E之间的范围内变化。
一方面，电压E1经由电阻器R1和R2到达发生器G1和G2的激励电极27的端子29和30。另一方面，电压E1经由通用端子65到达发生器G1和G2的通用电极28的端子33。
此外，电压E2经由电阻器R3和R4到达发生器G3和G4的激励电极27的端子29和30，另一方面，电压E2到达发生器G3和G4的通用电极28的端子33。
施加在致动器的发生器G1、G2和G3、G4上的电压E1和E2导致压电板2静态弯曲或变形，如图11中图示73和图示74中的虚线所示。
静态弯曲的方向由电压E1的极性关于电压E2的极性确定。静态弯曲的幅度取决于电压E1和E2的幅度。
如果电压E1等于电压+E、电压E2等于电压–E，则板2弯曲，如图11的图示73所示。摩擦元件3的摩擦表面71上的点70在轨迹75上移动至位置76，如图12所示。
由于摩擦元件3的摩擦表面71被力F压在待驱动元件5的摩擦表面4上，因此点70到位置76的位移导致待驱动元件5在箭头和标号+Vs所示的方向上平移距离+d。
当极性改变时(E1等于-E、且E2等于-E)，则板2弯曲，如图11中的图示74所示。在这种情况下，摩擦元件3的摩擦表面71上的点70在轨迹75上移动到位置77(见图12)。
点70到位置77的位移导致待驱动元件5在箭头和标号-Vs所示的方向上上平移距离-d。
在根据本发明的方法的静态操作模式中，+d/-d的最大位移，即待驱动元件5的最大步长，由电压E1和E2的最大值确定。最大步长可以达到0.1μm至1μm之间的值。
最小步长由夹持元件9的结构的刚度决定。其可以在0.1nm至1nm的范围内。
根据本发明的方法的动态操作模式也可以通过两相电电压来实现。图13的图示78和图示79分别示出了相应的电路和相应的框图。
通过两相控制，发生器80为端子81和端子82提供两个具有相同频率Fg的交流电压U1和U2。
电压U1和U2相对于彼此通过相位角fg+/-90°或一个不同的角度偏移。
一方面，电压U1通过端子81和电容器C1和C4施加到发生器G1和G4的激励电极27的端子29和端子32上，另一方面，电压U1通过通用端子65到达发生器G1和G4的通用电极28的端子33。
此外，电压U2经由端子82以及电容器C2和C3施加到发生器G2和G3的激励电极27的端子30和端子31，并且电压U2通过通用端子65到达发生器G2和G3的通用电极28的端子33。
两对发生器G1、G4和G2、G3中的每一对发生器同时在致动器1中产生相对于长度L纵向传播且相对于厚度D纵向传播(参见图9的图示66和图示67)声弯曲驻波的第二模式、以及相对于长度L纵向传播的声纵向驻波的第一模式(参见图9中的图示68和图示69)。
声弯曲驻波和声纵向驻波的叠加使得摩擦元件3的摩擦表面71的点70在椭圆形轨迹72上连续移动，如图10所示。这导致待驱动元件5相应地被位移或驱动。
反转相移角fg改变待驱动元件的运动方向。
此外，在根据本发明的方法中，可以通过两相电电压来实现动态操作模式，两相电电压具有通过两对发生器(诸如G1和G3以及G2和G4)独立同时生成的声驻波。图14的图示83和图示84示出了用于这种形式的激励的相应电路。
在这种情况下，发生器G1和G3形成反相发生器，发生器G2和G4表示同相发电机。
一对发生器G1、G3在致动器1中产生相对于长度L纵向传播且相对于厚度D纵向传播(参见图9的图示66和图示67)的声弯曲驻波的第二模式。一对发生器G2、G4在致动器1中产生相对于长度L纵向传播(参见图9的图示68和图示69)的声纵向驻波的第一模式。
声弯曲驻波和纵向驻波的叠加导致根据图10的摩擦元件3的摩擦表面71的点70在椭圆形轨迹72上均匀移动。这导致待驱动元件5的驱动运动。
图15的图示85和图示86示出了用于实现根据本发明的方法的电路，该电路具有超声波致动器1，其中，发生器G1、G2、G3和G4包括根据图7中的图示47的平面激励电极38和平面通用电极39。动态操作模式在此通过电单相电压U1实现。
根据图17的电路的操作原理类似于图8所示的操作原理。
图16的图示87和图示88示出了用于通过两相电电压U1、U2实现根据本发明的方法的动态操作模式的电路，其中，超声波致动器1的发生器G1、G2、G3、G4包括平面激励电极38和平面通用电极39。
根据图16的电路的操作原理类似于图13所示的操作原理。
图17的图示89和图示90示出了用于通过两相电电压U1、U2实现根据本发明的方法的动态操作模式的电路，其中发生器G1、G3和G2、G4被彼此独立地激励。
根据图17的电路的操作原理类似于图14所示的操作原理。
图18示出了适于根据本发明的方法操作的超声波电机，除了主要的超声波致动器1之外，还包括附加的超声波致动器91。
在这种电机配置中，固定安装在电机壳体8上的夹持元件92用于固定致动器1和致动器91。致动器1和致动器91借助于止挡93和板簧94从两个相对的侧面压靠在夹持元件92上。在弯曲驻波的振荡速度的最小值，止挡93接触致动器1和致动器91。
通过弹簧95将致动器1和致动器91的摩擦元件3压向待驱动元件5的摩擦表面4，该弹簧95通过安装在轴线96上的杠杆96作用在致动器1和致动器91上。
因此可以精确地平衡将致动器1和致动器91的摩擦元件3压向待驱动元件5的摩擦表面4的力F。
Claims (4)
1.一种操作超声波电机的方法，包括以下步骤：
提供由压电材料或电致伸缩材料或磁致伸缩材料制成的板(2)形式的超声波致动器(1)，板(2)的宽度B大于板(2)的厚度D且小于板(2)的长度L，并且所述板(2)包括两个主面(13，14)、沿所述长度延伸的两个侧面(15)、和沿所述宽度延伸的两个端面(16)，并且包括垂直于所述主面(13，14)和所述侧面(15)且平行于所述端面(16)延伸的横切对称平面S1、以及垂直于所述侧面(15)和所述端面(16)且平行于所述主面(13，14)延伸的纵切对称平面S2，其中，在所述超声波致动器(1)的至少一个所述端面(16)上布置有用于与待驱动元件(5)接触的摩擦元件(3)，并且所述超声波致动器包括四个相同的体积区域(19、20、21、22)，四个相同的体积区域(19、20、21、22)相对于所述横切对称平面S1对称地布置并且相对于所述纵切对称平面S2对称地布置，每个所述体积区域(19、20、21、22)与激励电极(27、38)和通用电极(28、39)一起布置在所述超声波致动器(1)上和/或之中形成用于形成声驻波的发生器(G1、G2、G3、G4)和用于形成静态弯曲变形的发生器(G1、G2、G3、G4)；
提供电激励设备(50)，传递一个交流电压U1或两个交流电压U1、U2、并且传递两个静态电压E1、E2；
将所述交流电压U1施加到所述四个发生器(G1、G2、G3、G4)中的两个的所述电极(27、28、38、39)、或将所述两个交流电压U1、U2中的一个施加到所述发生器(G1、G2、G3、G4)中的两个的所述电极(27、28、38、39)，并且将另一个交流电压U1、U2施加到另两个所述发生器(G1、G2、G3、G4)的所述电极(27、28、38、39)上，以在动态操作模式下的所述超声波致动器中形成声驻波，或者，将所述两个静电压E1、E2中的一个施加到所述四个发生器(G1、G2、G3、G4)中的两个发生器的所述电极(27、28、38、39)上、并将另一个所述静电压E1、E2施加到另两个发生器(G1、G2、G3、G4)的所述电极(27、28、38、39)，以在静态操作模式下形成静态弯曲变形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述动态操作模式下，当施加所述两个交流电压U1、U2时，施加了相同的所述交流电压U1、U2的两个发生器在所述超声波致动器(1)中形成对应于弯曲驻波的第二模式和声纵向驻波的第一模式的叠加的声驻波。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述动态操作模式下，当施加所述两个交流电压U1、U2时，施加了所述交流电压U1、U2中的一个的两个发生器在所述超声波致动器(1)中形成对应于弯曲驻波的第二模式的声驻波，并且，施加了所述交流电压U1、U2中的另一个的另外两个发生器在所述超声波致动器(1)中形成对应于声纵向驻波的第一模式的声驻波。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述超声波致动器(1)的所述静态弯曲变形发生在基本上平行于所述端面(16)延伸的平面中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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