CN111295830A - 机电定子、马达和用于驱动机电马达的方法 - Google Patents
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Abstract
一种机电定子(2)包括促动器区段(20)、支承区段(40)和弹簧区段(60)。弹性材料连续板(5)构成这些区段中的每个的至少一部分。促动器区段包括振动体(30)和移动本体相互作用部分(22)。振动体包括附接到弹性材料连续板的一部分的机电体积(329)。当向机电体积施加交流电压时，振动体引起弯曲振动。支承区段附接在促动器区段与弹簧区段之间。弹簧区段将支承区段与至少一个固定点(62)连接。弹簧区段是弹性的，带有弹簧常数，允许在固定点位移时沿振动方向提供法向力。还公开一种机电马达和一种操作此类机电马达的方法。
Description
技术领域
所提出的技术总体上涉及机电马达，且特别地涉及采用包括机电材料的振动元件(在超声区域中振动)的机电马达和用于驱动此类马达的方法。
背景技术
机电驱动元件在现有技术中用于许多类型的微型马达应用。这些马达的大部分基于机电驱动元件的超声操作。机电材料的典型示例为压电、电致伸缩和反铁电材料，且这些材料可为单晶的以及多晶的或非晶的。
由于压电效应激活方面相对简单，压电材料使用普遍。许多不同的设计可用。在
马达中，使压电杆处于共振。杆上的驱动垫与待移动本体接触，且驱动垫的运动传递为相对于待移动本体的移动动作。这是紧凑的解决方案，其有利地用于许多类型的应用中。
在公布的国际专利申请WO2004/112232和WO2005/031888 A1中，公开包括压电元件的马达，该压电元件通过不太刚性的部分产生金属板的振动。该连接部分因此用作共振器之间的连杆，且可在不包括压电元件的情况下通过适当设计来承受高的预载。
对于这些类型的马达中的许多，共同的是，定子的触点在闭环中反复移动。典型地，如果允许触点在没有外部相互作用的情况下移动，环路对应于接近椭圆形路径的路径。然而，移动触点与待移动本体之间的相互作用产生总体运动。在环路的一部分期间，触点与待移动本体机械接触且与本体相互作用以实现其要求的运动。在环路的另一部分期间，替代地，触点无机械接触，且从而可“复位”以准备新的驱动接触。为了使此类驱动方案可操作，必须在定子与待移动本体之间提供法向力。该法向力使定子压靠待移动本体。如果施加适当的法向力，触点的运动典型地非常快，且定子的惯性允许触点暂时从待移动本体的表面完全去除。过高或过低的施加的法向力典型地给出非最佳的操作。因此要求选择适当的明确限定的法向力以便实现有效的运动。
压电马达通常用于对提供法向力的装置进行进一步限制的微型化系统中。
发明内容
总体的目标在于提供机电马达和其操作方法，其允许在有限的空间内使用明确限定的法向力。上文目标通过根据独立权利要求的方法和装置来实现。优选实施例限定在从属权利要求中。总体上来说，在第一方面，机电定子包括促动器区段、支承区段和弹簧区段。弹性材料连续板构成促动器区段的至少一部分、支承区段的至少一部分和弹簧区段的至少一部分。促动器区段包括振动组件，该振动组件包括至少一个振动体和移动本体相互作用部分。振动体包括附接到弹性材料连续板的一部分的机电体积，其中当向该机电体积施加交流电压时，振动体布置成用于沿与弹性材料连续板的平面横向的振动方向引起弯曲振动。支承区段附接在促动器区段与弹簧区段之间。支承区段经由弹簧区段与至少一个固定点连接。关于固定点相对于弹簧区段与支承区段之间的连接点沿振动方向的位移，弹簧区段是弹性的，带有弹簧常数，从而允许在固定点沿振动方向位移时对移动本体相互作用部分沿振动方向提供法向力。
在第二方面，一种机电马达包括根据第一方面的机电定子、待移动本体，以及布置成向所述振动体的机电体积供应交流电压的电压供应部。
在第三方面，提出一种用于操作机电马达的方法。待操作的机电马达包括具有促动器区段、支承区段和弹簧区段的机电定子，其中弹性材料连续板构成促动器区段的至少一部分、支承区段的至少一部分和弹簧区段的至少一部分。促动器区段包括振动组件，该振动组件包括至少一个振动体和移动本体相互作用部分。振动体包括附接到弹性材料连续板的一部分的机电体积。支承区段附接在促动器区段与弹簧区段之间。支承区段经由弹簧区段与至少一个固定点连接，其中弹簧区段是弹性的，带有弹簧常数。方法包括通过使固定点相对于弹簧区段与支承区段之间的连接点沿振动方向位移，对移动本体相互作用部分沿振动方向(与所述弹性材料连续板的平面横向)提供法向力。向该机电体积施加交流电压，引起振动体沿振动方向执行弯曲振动。
关于所提出的技术的一个优点在于，明确限定的法向力和其它操作状况由空间中有限的装置来提供。将在阅读详细描述时了解到其它优点。
附图说明
本发明连同其另外的目标和优点可通过参照连同附图进行的以下描述来最佳地理解，在附图中：
图1A是促动器区段20的实施例的示意图；
图1B是移动本体相互作用部分的运动的示意图；
图1C是示出在没有法向力的情况下移动本体相互作用部分的运动的Z分量的图；
图2A是机电定子的实施例的示意图；
图2B是示出在操作期间机电马达的框架支承点的Z运动的图；
图2C是示出在操作期间移动本体相互作用部分的Z运动的图；
图3A是处于非弹性变形状况的机电定子的实施例的立面图；
图3B是在弹性变形时图3A的实施例的立面图；
图4是机电马达的实施例的立面和局部示意图；
图5是具有成对机电定子的机电马达的实施例的立面和局部示意图；
图6A-6C是在操作的第一阶段期间机电马达的示意图；
图7是具有成对机电定子的机电马达的另一实施例的立面和局部示意图；
图8A是机电定子的另一实施例的立面图；
图8B-E是机电定子的实施例的部分从上方看的视图；
图8F-H是机电定子的其它实施例从上方看的视图；
图9A-B是仅在一侧上具有支承区段的机电定子的实施例的两个立面图；
图9C是根据图9A-B的具有成对机电定子的机电旋转马达的实施例的立面图；
图10A-D是使用间隔元件来用于改变法向力的示意图；
图10E是使用塑性变形来用于改变相对距离的示意图；以及
图11是用于操作机电马达的方法的实施例的步骤的流程图。
具体实施方式
在图各处，相同的参考标号用于类似或对应的元件。
为了更好地理解所提出的技术，可有用的是，从简要概述关于超声机电马达的操作的一些基本考虑因素开始。
图1A示意性地示出具有振动组件25的机电马达的促动器区段20。振动组件25包括振动体30，进而包括机电活性材料的机电体积32，当向机电体积32施加交流电压时，该振动体30引起振动。振动组件25还包括移动本体相互作用部分22，移动本体相互作用部分22意在成为机电定子的与待移动本体相互作用的部分。振动组件的总回弹24在图中由弹簧状部分指示。
如果向机电体积32提供适当的交流电压，可引起振动体30开始振动，且典型地可引起移动本体相互作用部分22沿着闭环路径100移动，如图1B中示意性示出的。该运动然后在机电马达中用于实现待移动本体的位移。如何实现闭环路径的实际细节取决于振动组件25的实际设计，且如此在现有技术中是众所周知的。沿X方向接近闭环路径100的顶部的运动分量可用于与待移动本体的机械相互作用中，以沿X方向传递位移力。相反，当存在沿负X方向接近闭环路径100的底部的运动分量时，应避免与待移动本体的任何机械相互作用。提供和去除与待移动本体的机械接触的必要功能由沿Z方向的运动分量来执行。该Z方向运动将是本公开内容的主体。
示出当振动体30在没有任何法向力的情况下(即，在与任何待移动本体没有任何接触的情况下)操作时Z方向分量102沿着闭环路径的周期性行为实施例的图在图1C中示出。曲线的顶部部分对应于其中存在正X运动分量的阶段，且曲线的底部部分对应于其中存在负X运动分量的阶段。因此要求使用Z方向运动来分别接触待移动本体和去除与待移动本体的接触。典型地，还可提供施加的电压来给出沿相反方向的闭环路径。
如上文提到的，为了使移动本体相互作用部分22的运动转换为待移动本体的位移，移动本体相互作用部分22必须与待移动本体机械地相互作用。图2A示意性地示出机电马达1的机电定子2。促动器区段20压靠本体10以在由弹簧区段60施加的法向力F下移动。力F基本垂直于运动方向施加，这是该名称的解释。支承区段40可作为促动器区段20与弹簧区段60之间的桥接部存在。弹簧区段60以及还有可选的支承区段40的总回弹61在图中由弹簧状部分指示。
如果向振动体30施加低频交流电压，弹簧区段60将补偿所实现的振动。移动本体相互作用部分22将与待移动本体10处于恒定的机械接触。这导致整个机电定子2将仅缓慢振动而根本不引起任何运动。然而，如果所提供的交流电压的频率增加，系统的惯性将开始起重要作用。当振动体30的振动引起移动本体相互作用部分22沿负Z方向(即，远离待移动本体10)移动时，机电定子2的惯性将防止弹簧区段60立即补偿运动。结果是，移动本体相互作用部分22在短时间段内脱离与待移动本体10的机械接触。在该时间期间，移动本体相互作用部分22可例如沿负X方向自由移动，而不干扰待移动本体10。换句话说，移动本体相互作用部分22可复位和准备与待移动本体10的新接触，而不与待移动本体具有任何机械接触。图2B是示出弹簧区段60(或支承区段40)与促动器区段20之间的连接点的Z方向位置zem的运动104的示意图。该连接点在下文中称为框架支承点。当移动本体相互作用部分22与待移动本体10之间的接触去除时，由弹簧区段60提供的法向力将开始使促动器区段20朝待移动本体10移动。系统的惯性将给予该运动比促动器区段20的振动更加长的时间常数。上文提到的连接点的运动将继续，直到移动本体相互作用部分22与待移动本体10再次相接，这典型地在促动器区段20的振动使移动本体相互作用部分22朝待移动本体10再次移动时发生。框架支承点然后将再次往回推，典型地推到原始位置。该运动的行程取决于法向力的大小、移动部分的质量和促动器区段20振动的频率。
图2C是示出在操作期间移动本体相互作用部分22的末端沿Z方向的位置106的示意图。图始于促动器区段20使移动本体相互作用部分22远离待移动本体10拉动的时刻。移动本体相互作用部分22执行闭环的底部部分(参见图1)，但通过框架支承点的运动来校正。同时，如由虚线108指示的，框架支承点沿正Z方向缓慢移动。由于此类运动导致使移动本体相互作用部分22和框架支承点更接近，虚线108对应于负的框架支承点运动。这些运动继续，直到移动本体相互作用部分22在点110再次达到待移动本体10，点110对应于曲线102和曲线104的负对应物(即，曲线108)相接处的点。换句话说，zip等于待移动本体10的表面的位置zb。与待移动本体10的接触阻止移动本体相互作用部分22沿Z方向的任何进一步运动，且在该时段的其余部分期间，在由促动器区段20沿Z方向施加的力的作用下，仅框架支承点缓慢地再次返回到原始位置，这由曲线区段112示出。该过程然后全部重新开始。
现在可理解，两个运动(即，如由曲线102示出的促动器区段20振动和框架支承点的运动104)的时间常数之间的关系对于马达的操作起重要作用。如果框架支承点运动104的时间常数相对于促动器区段20振动的时间常数减小(即，框架支承点的运动相对较快)，在其期间移动本体相互作用部分22与待移动本体10无接触的时间段减小。这由虚曲线114示意性地示出。这意味着当沿负X方向存在不可忽略的运动分量时，移动本体相互作用部分22还可在振动阶段期间与待移动本体10接触。这进而减小速度且增加磨损。
同样，如果框架支承点运动104的时间常数相对于促动器区段20振动的时间常数增加(即，框架支承点的运动相对较缓慢)，在其期间移动本体相互作用部分22与待移动本体10接触的时间段减小。这由虚曲线116示意性地示出。这意味着移动本体相互作用部分22可在较短的时间段期间影响待移动本体10，这进而减小可用速度。此外，在X方向运动中的可用力也减小。
为了优化马达的操作，所施加的法向力优选地适于与操作频率和马达的不同部分的不同质量适当相配。因此要求弹簧区段具有明确限定且可容易控制的弹性性质。同时，由于典型的超声机电马达应用于微型应用中，此类弹簧区段必须设在有限的空间内且优选地要求尽可能少的安装步骤。
根据本公开内容中提出的技术，弹性材料连续板可用作用于促动器区段、支承区段以及用于弹簧区段的基本部分。这最大限度地减小所需要的安装工作且增加安装精度。同时，仅通过适当地设计弹性材料连续板的形状，可实现不同区段的适当性质。可良好控制的法向力可容易沿与弹性材料连续板的主平面横向的方向实现。
在一个实施例中，机电定子包括促动器区段、支承区段和弹簧区段。弹性材料连续板构成促动器区段的至少一部分、支承区段的至少一部分和弹簧区段的至少一部分。促动器区段包括振动组件，该振动组件进而包括至少一个振动体和移动本体相互作用部分。振动体包括附接到弹性材料连续板的一部分的机电体积。当向机电体积施加交流电压时，振动体布置成用于沿与弹性材料连续板的平面横向的振动方向引起弯曲振动。支承区段附接在促动器区段与弹簧区段之间。支承区段经由弹簧区段与至少一个固定点连接。关于固定点相对于弹簧区段与支承区段之间的连接点沿振动方向的位移，弹簧区段是弹性的，带有弹簧常数，从而允许在固定点沿振动方向位移时对移动本体相互作用部分沿振动方向提供法向力。
图3A示出机电定子2的一个实施例。机电定子2包括促动器区段20、至少一个支承区段40和至少一个弹簧区段60。在该实施例中，机电定子2包括设在促动器区段20的相反侧上的两个弹簧区段60和两个支承区段40。弹性材料连续板5构成促动器区段20的至少一部分、支承区段40的至少一部分和弹簧区段60的至少一部分。
促动器区段20包括振动组件26，振动组件26进而包括至少一个振动体30和移动本体相互作用部分22。在该实施例中，振动组件26包括由移动本体相互作用部分22互连的两个振动体30。振动体30各自包括附接到弹性材料连续板5的一部分的机电体积32。当向相应的机电体积32施加交流电压时，振动体30布置成用于沿与弹性材料连续板5的平面横向的振动方向Z引起弯曲振动。促动器区段20在其侧部上由附接部件42连接到支承区段40。
构成弹簧区段60的弹性材料连续板5的部分关于沿Z方向的运动是弹性的。在无弹性变形的状态下(即，在弹簧区段60的弹性材料连续板5未暴露于沿Z方向的任何弹性位移的情况下)，弹簧区段60的弹性材料连续板5是平的。此类情况在图3A中示出。
每个支承区段40附接在促动器区段20与相应的弹簧区段60之间。支承区段40的目标在于，使由促动器区段20引发的任何运动(特别是旋转运动)分离以免传递到弹簧区段60中。促动器区段20执行弯曲振动，该弯曲振动典型地引起附接部件42扭曲或旋转。然而，由于主要支承区段40的扭曲性质几乎不受允许，附接部件42的任何旋转运动(主要围绕弹性材料连续板5内的轴线)将不传递到弹簧区段60上。因此，支承区段40优选地适于至少部分地阻止促动器区段20的旋转运动传播到弹簧区段60。
弹簧区段60使相应的支承区段40与至少一个固定点62连接。关于固定点62相对于弹簧区段60与支承区段40之间的连接点沿振动方向Z的位移，每个弹簧区段60是弹性的，带有弹簧常数。该弹性从而允许在固定点62沿振动方向Z位移时对移动本体相互作用部分22沿振动方向Z提供法向力。图3B示出当固定点62位移了距离D(引起弹簧区段60的弹性材料连续板5的弹性变形，导致促动器区段20且特别是移动本体相互作用部分22在图中用力向上推，当安装在马达中时该力将用作法向力)时的此类情况。图3A因此示出机电定子在将它安装于机电马达中之前的状态下的实施例，而图3B示出处于与当它安装在机电马达中时它看上去那样类似的状况的相同实施例。
对于不同类型的振动，促动器区段20典型地将暴露附接部件42。优选的是，这些振动的至少高频部分没有一直传播到固定点62。由于支承区段40的几何尺寸与附接部件42相比根本不同，向附接部件42提供的振动能量的大部分将往回反射到促动器区段20。此外，由于弹簧区段60和支承区段40一起具有相对高惯性的事实，弹簧区段60的弹性行为还将引起低通滤波作用。换句话说，支承区段40和弹簧区段60一起构成促动器区段20与所述固定点62之间振动的低通滤波器。
在该特定实施例中，弹簧区段60的弹性材料连续板5具有切口64的图案。这些切口64去除从支承区段40穿过弹性材料连续板5到固定点62的直接路径，这意味着从支承区段40到固定点62的路径66的有效长度变得更加长。由于弹簧区段60的弹性性质除其它参数外还取决于此类长度，可在不横向延伸弹簧区段60的情况下减小弹簧区段60的弹簧常数。进一步参见下文图8A。换句话说，切口64在到支承区段40的连接点68与固定点62之间提供至少一个受限路径66。在本实施例中，该至少一个受限路径66是弯曲的。
此外，至少与穿过支承区段40的路径相比，由切口64产生的受限路径66典型地还具有较小的宽度。换句话说，至少一个受限路径66具有比沿着连接点68(在弹簧区段60与支承区段40之间)与附接部件42(在促动器区段20与支承区段40之间)之间的最近路径的平均截面更小的平均截面面积。较小的宽度或者说是较小的截面典型地与较低的弹簧常数相关联。这导致弹簧区段60变为在确定机电定子2的整体弹簧性质方面的主要部分。
在典型的实施例中，弹性材料连续板是平金属板。然而，还存在弹性材料连续板的其它可能设计和/或组成。
在一个实施例中，弹性材料连续板在板各处具有基本均质的组成。换句话说，同一材料形成整个板。
在另一实施例中，弹性材料连续板改变它在板区域上的组成。这可例如通过在板区域上使用具有化学梯度的材料或通过在板的不同部分上施加不同的处理(例如硬化或涂层)来提供。以此方式，材料性质可稍微适于不同的区段。在某些应用中，较刚性的材料可例如用于支承区段中。取决于应用的技术领域，较软的材料可替代地在弹簧区段中有益。
然而，为了实现弹性材料连续板的益处中的一些，弹性材料连续板应设在一个持久连结的件中。在某些实施例中，梯度或其它改变的性质可通过从单独件(其然后通过不可逆的连结来合并为一件)开始来提供。在其它实施例中，梯度或改变的性质可在最初均质的材料中实现。在另外的实施例中，弹性材料连续板中的梯度或改变的性质可结合材料本身的制造来提供。机电定子2意在并入机电马达中。图4示出根据图3A-B的实施例的具有机电定子的机电马达1的实施例。机电马达1还包括待移动本体10和电压供应部70，电压供应部70布置成向振动体30的机电体积32供应交流电压。该特定实施例还包括轴承装置80，轴承装置80限定固定点62相对于待移动本体10的位置。注意，与实际大小相比，图典型地放大。该类型的机电马达的典型大小是几毫米。
图5示出机电马达1的另一实施例，其中根据图3A-B的两个机电定子2以成对设计安装在待移动本体10的相反侧上。通过将两个机电定子2的固定点62由固定器件82附接到彼此(可能经由间隔元件)，对于任何轴承装置的需要消失。替代地，两个机电定子2可彼此同步地操作。固定器件82可为提供暂时或持久机械连接的任何类型。典型的示例是螺钉或铆钉。然而，取决于应用，也可能使用由例如点焊或胶合构成的固定器件82。
根据上文的基本考虑因素，机电马达的实际操作是非常复杂的过程，其中力、惯性、频率、共振性质等影响最终性能。为了增加对不同量的作用的理解，可在机电激励的前半个周期期间分析简化的模型系统。前半个周期可分为三个阶段：预载开始状况，移动本体相互作用部分初始从待移动本体获取(snatch)，以及移动本体相互作用部分的第一自由移动阶段。
图6A示意性地示出在预载开始状况下的情况。移动本体相互作用部分22与本体10机械接触，以用预载力F移动。该预载力通过固定点相对于待移动本体10且从而相对于移动本体相互作用部分22的顶部的某一位移δsp来实现。位移δsp与预载力F之间的关系表达为：
F＝csp·δsp (1)
其中csp为所述弹簧区段的弹簧常数。
图6B示意性地示出移动本体相互作用部分22初始从待移动本体10获取的情况。预载力引起定子(且特别是弹簧区段)弹性变形。如果暂时释放此类预载力，定子将开始以由成组的固有共振模式分量组成的运动来振动。沿预载方向的主要固有共振模式在这里表示为主要固有共振模式fsp。为了能够去除移动本体相互作用部分22的接触，向机电体积提供的电压的操作频率fo应至少高于整个机电定子2的主要固有共振频率fsp。换句话说，在机电马达的一个实施例中，电压供应部布置成以至少高于整个机电定子的主要固有共振频率fsp的操作频率fo来供应交流电压。
至于所有其它的机械系统，机电定子2的固有共振频率例如取决于该部分是否预载或是否可发生运动限制。移动本体相互作用部分的自由移动阶段类似在指定的初始状况下自由振动的机电定子。对于整个机电定子的主要固有共振频率可表达为：
其中meq为机电定子的质量-弹簧表示法的等效总质量。
可进一步进行对初始获取的分析。如果使用操作频率fo，由移动本体相互作用部分22沿Z方向的距离zip表示的运动可表达为：
zip＝δip·sin(2πfot)，
其中δip为移动本体相互作用部分22的末端的行程的幅值。
最大加速度然后变为：
aip＝δip·(2πfo)2，
且用于执行半个周期的时间(其大致接近在其期间移动本体相互作用部分22无接触的时间)为：
图6C示意性地示出移动本体相互作用部分22的第一自由移动阶段。在该阶段期间，弹簧区段60用来使移动本体相互作用部分22往回朝待移动本体10推。该往回推的距离可表示为Δδsp，且由机电定子的主要固有共振频率控制。该距离可近似为：
Δδsp＝δsp(1-cos(2πfspt))
最大加速度然后变为：
asp＝δsp·(2πfsp)2
在大致半个周期之后达到最大往回推的距离Δδmax，其给出：
通过假定最大往回推的距离Δδmax与δip相比是小的：
Δδmax＝ξ·δip，
在ξ为小量的情况下，表达式(4)可由泰勒级数的前两项近似。组合关系(1)、(2)和(4)，然后给出操作频率的估计：
为了实现良好的操作，最大往回推的距离Δδmax应优选地显著小于距离δip，优选地小于距离δip的10％，即，ξ应优选地小于0.1。在许多典型应用中，预载力F可在20N数量级。在自由移动阶段期间，移动本体相互作用部分22与待移动本体10之间典型的最大距离δip可在5μm范围内。机电定子的典型的等效总质量可在0.5g范围内。此类假定将一起指向约100kHz(这是完全可行的)的操作频率。
机电定子的加速度asp也应显著低于移动本体相互作用部分22的加速度aip，优选地小于加速度aip的10％。
也可能表达主要固有共振频率fsp与优选的操作频率fo之间的比：
如果假定最大往回推的距离Δδmax为0.5μm且位移δsp为1mm，这将需要约100的频率比。这些状况对于不同类型的马达和应用将相当不同，且优选的频率比也因此可显著不同。
然而，在总体的上下文中，操作频率fo应优选地超过主要固有共振频率fsp达至少5倍，更优选地达至少10倍，且最优选地达至少30倍。
上文的分析在操作的第一时刻进行。然而，模型包括假定的“连续”正弦运动。这意味着“假定”初始速度非零。模型中的此类缺陷可在分析中引起例如小的延迟或时间偏移。然而，假定稳态操作的状况与上文用作模型的状况不是非常不同的。往回推的距离的回复可能可不导致完全相同的开始位置，但主要的推论无论如何至少在数量级内将是有效的。
典型地还选择操作频率fo以与振动组件的振动性质相配，例如处于接近振动组件的共振频率的状态。然后可找到合适的质量、弹簧常数和弹簧区段的位移，以便满足上文对于适当操作的估计。
使用弹性材料连续板作为弹簧区段的一个优点在于，梁形状的窄材料部分的弹簧常数相对容易估计和预测。例如，在图3A-B的实施例中，弹簧部分可被认为是由串联连接的直梁和弯曲部分(其具有相对容易通过分析和/或通过模拟来估计的弹簧常数影响)组成。总体上，在连接点(在弹簧区段与支承区段之间)与附接部件(在促动器区段与支承区段之间)之间穿过弹簧区段的较长路径给予弹簧区段较低的弹簧常数。通过使用曲折的形状，可在有限的空间内实现非常长的路径。同样，如果路径的宽度减小，弹簧常数也将减小。
对于定子的所有活动部分使用共同的弹性材料连续板确保定子的不同部分之间可靠的几何关系。没有来自额外安装构件的不受控的位移或弯曲影响法向力的施加，且最终实现的法向力可仅从弹簧区段的形状和弹性变形距离来非常精确地估计。
可能使用弹簧区段的许多不同的详细设计。图7示出机电马达1的另一实施例。这里曲折沿与图3A-B的曲折垂直的方向提供。
图8A-F示出弹簧区段图案的实施例的其它示例，其使用采用弯曲窄材料路径的构想，该弯曲窄材料路径穿过弹簧区段在弹性材料连续板中切出。图8A示出具有从支承区段40垂直延伸的四个弹簧区段60的机电定子2。这可被认为是对较早提出的弯曲弹簧形状的拉直。使用标准的梁振动模型，此类设计的弹簧性质非常容易计算。然而，该实施例需要在促动器区段的两侧上有大量的可用空间。
图8B示出具有两个固定点62但到支承区段40仅一个连接68的弹簧区段60。这确保法向力施加在支承区段40的中间，且在其中必须限制任何允许的围绕与运动方向垂直的轴线倾斜的应用中可为有利的。
图8C中，一个支承区段40连接到两个分离的弹簧区段60，弹簧区段60中的每个具有它自身的固定点62。这里连接68与固定点之间的路径具有基本螺旋形的形状。
图8D中，使弹簧区段60的曲折形状的弯曲61处的宽度更大，以便增强在有时可发生疲劳处的点处的结构。
图8E示出弹簧区段60，其中所有弯曲具有大的曲率半径。这避免尖角，在尖角处裂纹的引发可成问题。
图8F示出在促动器区段20的每侧上具有两个支承区段40的实施例。这使得可能调节施加在不同的支承区段40处的弹簧力，例如用于补偿对移动本体相互作用部分22不均匀施加的负载力。
图8G示出其中单个支承区段40包围促动器区段20的实施例。
图8H示出其中相应的弹簧区段60沿马达的预期运动的方向X设在支承结构的侧部处的实施例。这使整个马达更窄，但可需要沿着马达的更多自由空间。
图9A示出仅在一侧上具有其支承区段和弹簧区段的机电定子2的实施例。例如，这在旋转马达应用中可为有利的。在该特定实施例中，附接部件42设置成作用于促动器区段20的中间处，以便最大限度地减小关于由于所施加的法向力使促动器区段倾斜的任何趋势。附接部件42因此在该特定实施例中定形为细长梁27。图9B是从图9A的底部看的视图，其示出如何由腔29的设置来给予附接部件42用于运动的额外空间。
图9C中，来自图9A-B的机电定子在用于旋转机电马达的成对定子设计的实施例中应用。固定点62在该实施例中附接到旋转机电马达1的轴86。此类附接布置成使得固定点62可相对于轴86自由旋转(例如通过某一轴承装置)，但对于沿着轴86位移是锁定的。
如可在上文的论述中看到的，机电定子的等效总质量也在寻找合适的频率和弹簧性质方面起作用。例如，如果找到了给出所要求弹簧常数的合适弹簧区段设计，但其它参数趋于引起高的推荐操作频率，可通过调节支承区段的质量来调节频率。由于支承区段基本不影响弹簧作用，但它的质量影响机电定子的等效总质量，可在不显著改变弹簧常数的情况下向支承区段添加额外的质量。
当某一弹簧区段设计固定时，“调整”操作频率的可用范围的另一方式是改变弹簧区段的弹性变形。参照图10A，成对设计中两个机电定子的固定点由固定器件82保持在一起。此类情况对应于每个固定点以距离D位移。如果要求较低的法向力(例如用于减小推荐操作频率的下端)，可使用图11B中示出的情况。这里，间隔元件84(诸如垫圈)可支承在固定点62之间。从而将稍微减小每个固定点62的位移D。换句话说，通过简单地调节在安装期间固定点62移动的距离，可实现调节的法向力。间隔元件84可容易在厚度上以高精度制造，这意味着所施加的法向力也可非常精确地调整。
图10C-D中描绘对于抵靠例如轴承装置80安装的单个机电定子的类似情况。
在备选实施例中，也可采用弹性材料连续板的塑性变形来改变固定点的位移。图10E示出具有成对定子设计的机电马达1，其中每个机电定子2的支承区段40在安装之前塑性地变形。通过该塑性变形，固定点62的必要位移可适于待移动本体的主要厚度。
在此类实施例中，由于此类制造过程典型地不是非常精确，人必须特别小心地控制由塑性变形引起的位移。优选地，至少弹簧区段60的弹性材料连续板5在无弹性变形的状态下仍是平的。这确保弹簧常数的性质被明确限定。
图11是示出用于操作机电马达的方法的实施例的步骤的流程图。机电马达包括促动器区段、支承区段和弹簧区段。弹性材料连续板构成促动器区段的至少一部分、支承区段的至少一部分和弹簧区段的至少一部分。促动器区段包括振动组件，该振动组件进而包括至少一个振动体和移动本体相互作用部分。振动体包括附接到弹性材料连续板的一部分的机电体积。支承区段附接在促动器区段和弹簧区段之间。支承区段经由弹簧区段与至少一个固定点连接。弹簧区段是弹性的，带有弹簧常数。
方法包括步骤S10，在步骤S10中对移动本体相互作用部分沿与弹性材料连续板的平面横向的振动方向提供法向力。在步骤S12中，该法向力的提供通过使固定点沿振动方向位移来执行。在步骤S20中，向机电体积施加交流电压，引起振动体沿振动方向执行弯曲振动。
在优选实施例中，所施加的交流电压调整到高于整个机电定子的最低固有共振频率的操作频率。
上文描述的实施例应理解为本发明的几个说明性示例。将由本领域技术人员理解的是，可在不脱离本发明的范围的情况下对实施例进行各种修改、组合和改变。特别地，在技术上可能的情况下，不同实施例中的不同部分解决方案可以以其它配置来组合。然而，本发明的范围由所附权利要求书来限定。
Claims (12)
1.一种机电定子(2)，所述机电定子(2)包括促动器区段(20)、支承区段(40)和弹簧区段(60)；
其中弹性材料连续板(5)构成所述促动器区段(20)的至少一部分、所述支承区段(40)的至少一部分和所述弹簧区段(60)的至少一部分；
所述促动器区段(20)包括振动组件(25)，所述振动组件(25)包括至少一个振动体(30)和移动本体相互作用部分(22)；
所述振动体(30)包括附接到所述弹性材料连续板(5)的一部分的机电体积(32)，其中当向所述机电体积(32)施加交流电压时，所述振动体(30)布置成用于沿与所述弹性材料连续板(5)的平面横向的振动方向(Z)引起弯曲振动；
所述支承区段(40)附接在所述促动器区段(20)与所述弹簧区段(60)之间；
所述支承区段(40)经由所述弹簧区段(60)与至少一个固定点(62)连接；
其中关于所述固定点(62)相对于所述弹簧区段(60)与所述支承区段(40)之间的连接点(68)沿所述振动方向(Z)的位移，所述弹簧区段(60)是弹性的，带有弹簧常数，从而允许在所述固定点(62)沿所述振动方向(Z)位移时对所述移动本体相互作用部分(22)沿所述振动方向(Z)提供法向力(F)。
2.根据权利要求1所述的机电定子，其特征在于，至少所述弹簧区段(60)的所述弹性材料连续板(5)在无弹性变形的状态下是平的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的机电定子，其特征在于，所述支承区段(40)适于至少部分地阻止所述促动器区段(20)的旋转运动传播到所述弹簧区段(60)。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的机电定子，其特征在于，所述支承区段(40)和所述弹簧区段(60)一起构成所述促动器区段(20)与所述固定点(62)之间的振动的低通滤波器。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的机电定子，其特征在于，所述弹簧区段(60)的所述弹性材料连续板(5)具有切口(64)的图案，在连接点(68)之间提供到所述支承区段(40)和所述固定点(62)的至少一个受限路径(66)。
6.根据权利要求5所述的机电定子，其特征在于，所述至少一个受限路径(66)具有比沿着所述支承区段(40)与所述促动器区段(20)之间的附接部件(42)和所述连接点(68)之间的最近路径的平均截面更小的平均截面面积。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的机电定子，其特征在于，所述至少一个受限路径(66)是弯曲的。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的机电定子，其特征在于，所述振动组件(25)包括由所述移动本体相互作用部分(22)互连的两个所述振动体(30)。
9.一种机电马达(1)，其特征在于：
根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的机电定子(2)；
待移动本体(10)；以及
电压供应部(70)，所述电压供应部(70)布置成向所述振动体(30)的所述机电体积(32)供应交流电压。
10.根据权利要求9所述的机电马达，其特征在于，所述电压供应部(70)布置成以至少五倍以上、优选地至少十倍以上且最优选地至少三十倍以上的操作频率来供应所述交流电压，频率为：
其中
为所述弹簧区段的所述弹簧常数，且
为所述机电定子(2)的等效总质量。
11.一种用于操作机电马达(1)的方法，所述机电马达(1)包括具有促动器区段(20)、支承区段(40)和弹簧区段(60)的机电定子(2)，其中弹性材料连续板(5)构成所述促动器区段(20)的至少一部分、所述支承区段(40)的至少一部分和所述弹簧区段(60)的至少一部分，所述促动器区段(20)包括振动组件(25)，所述振动组件(25)包括至少一个振动体(30)和移动本体相互作用部分(22)，所述振动体(30)包括附接到所述弹性材料连续板(5)的一部分的机电体积(32)，所述支承区段(40)附接在所述促动器区段(20)与所述弹簧区段(60)之间，其中所述支承区段(40)经由所述弹簧区段(60)与至少一个固定点(62)连接，其中所述弹簧区段(60)是弹性的，带有弹簧常数，所述方法包括以下步骤：
-通过使所述固定点(62)相对于所述弹簧区段(60)与所述支承区段(40)之间的连接点(68)沿与所述弹性材料连续板(5)的平面横向的振动方向(Z)位移(S12)，对所述移动本体相互作用部分(22)沿所述振动方向(Z)提供(S10)法向力；以及
-向所述机电体积(32)施加(S20)交流电压，引起所述振动体(30)沿所述振动方向(Z)执行弯曲振动。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，另外的步骤为：
-调整(S30)所述施加的交流电压，使操作频率高于整个机电定子(2)的最低固有共振频率。
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