CN111525834A - 基于螺杆的纳米线性运动控制机构 - Google Patents

Abstract

线性运动控制机构包括安装成绕轴线(z)旋转的转子(1)。转子(1)具有第一螺纹部分(3)和第二螺纹部分(6)，该第一螺纹部分(3)和第二螺纹部分(6)由放置成与由振荡器(21)激励的定子(19)接触的中心部分(4)隔开。框架(10)限定与转子(1)的第一螺纹部分(3)配合的第一螺纹部分(12)。转子(1)的第二螺纹部分(6)与输出轴(13)配合。转子(1)相对于框架(10)的旋转导致输出轴(13)沿轴线(z)移动。振荡器(21)包括由角度致动器(33)激励的振荡块(32)，该角度致动器由围绕星形支撑件(38)布置的压电致动器(42)形成。振荡器(21)装配在呈钟形的转子(1)的内部，并且包括多个受应力扇区(23a)。

Description

基于螺杆的纳米线性运动控制机构

技术领域

本发明涉及一种线性定位机构。

背景技术

电动机驱动的螺杆用于生产线性长行程定位致动器，以提供固定在适当位置，例如在光学器件中执行聚焦功能。

例如，在文献US2003010146A中描述了具有电动机驱动的螺杆的机电致动器的最普通的概念。机电致动器包括齿轮电动机，该电动机使螺杆旋转，该螺杆驱动螺母形式的部件平移，被引导的移动部件固定在后者上。螺杆相对于螺母的旋转导致螺母的平移运动。

这种配置存在一些缺点。齿轮电动机是繁琐的部件。这导致机电致动器通常沿着致动轴线在横向上非常大和/或非常长。另外，由于齿轮电动机的间隙，限制了分辨率和定位精度。

为了提高电动机驱动的螺杆类型的机电致动器的紧凑性和精度，一种解决方案是通过直接驱动压电电动机来驱动螺杆。在文献US2012314269中，电动机是配备有压电振动定子的超声波电动机，该压电振动定子通过摩擦来驱动包括螺母的转子，该转子的旋转使螺杆旋转，从而产生螺母的线性向前和向后运动。螺母的旋转因此驱动支撑待定位负载的螺杆。待定位的负载通过螺杆的端部通过弹簧与螺杆的端部按压接触而被驱动。

这种配置的缺点之一是，尽管有弹簧，但负载并未固定在驱动它的螺杆上。在大的振动或冲击的情况下，负载可能至少部分地与驱动螺杆分离。这些冲击通常在车载应用中遇到，例如在航空或航天应用中。分离会导致脱离，从而在负载和螺杆之间产生局部冲击。这些局部冲击会损坏按压接触区域并导致产生颗粒。然后，机电致动器的加速磨损会导致表面质量损失，这对于高精度定位非常不利。磨损颗粒会滞留在螺纹中，这也不利于进行高精度定位。同样明显的是，文献US2012314269中提出的构造不适合于支撑高的外部应力。负载和框架之间的力链通过轴承传递，轴承是机构中的薄弱环节。

此外，通过滑动粘附型的操作，经由被电激励并使其以振动方式振荡的压电定子，通过摩擦来驱动旋转螺杆的转子在其圆柱表面上。定子的每次振荡通常会切向驱动转子的圆柱表面10微米。半径R等于16mm的转子的完整旋转以约10000次振荡执行，并且导致螺杆前进一步，即通常为1mm。因此，该机构的线性分辨率为100nm。

从理论上讲，可以使用更细的螺纹来改善线性分辨率。但是，更细的螺纹在机械上也不太能抵抗车载应用中遇到的振动和冲击，并且与高力的传递不兼容。

为了进一步减小机电致动器的尺寸，一种解决方案在于借助于压电驱动器执行直接的螺杆驱动。在文献JPH08251950中提出了这样的解决方案，根据惯性电动机的原理，借助于通过非对称锯齿型信号激励的压电定子，通过摩擦尤其是通过在转子螺纹高度上的滑动粘附来旋转驱动螺杆。压电惯性电动机的原理例如在T.Higuchi的文献EP0292989中描述。在文献JPH08251950中，也可以通过简单地放置与螺杆端部的接触来驱动待定位的负载。设有螺纹的两个夹爪彼此相对移动，从而导致保持在两个夹爪之间的螺杆移动。

此方法的缺点与以前的配置相同。负载相对于能够旋转和平移的螺杆移动，因此在冲击或剧烈振动的情况下，负载可能会从驱动螺杆上脱离，这在车载应用中是不可接受的。还显而易见的是，在文献JPH08251950中存在的配置不能承受高的外部应力，因为负载和框架之间的力链会通过压电定子传递。然而，当压电材料承受拉应力时，其极限值确实非常低。

最终显然的是，文献JPH08251950的配置使用了能够旋转和平移的螺杆螺纹作为螺杆的摩擦驱动表面。该螺纹承受很大的摩擦力，这意味着它会磨损，从而导致在螺杆中出现间隙。由于螺杆的磨损而导致的这种间隙会迅速降低机构随时间的精度。

发明内容

本发明的目的是弥补这些缺点，更具体地提供一种运动控制机构，该运动控制机构能够承受高的外部应力，同时执行高精度的定位，尤其是在纳米范围内，并且有利地提供一种为车载应用而设计的机构。

根据本发明，该目的通过一种输出轴的线性运动控制机构来实现，该机构包括：

-转子，其具有第一螺纹部分和可绕轴线旋转的圆形驱动表面；

-框架，该框架限定与转子的第一螺纹部分配合的第一螺纹部分，转子相对于框架的旋转导致转子相对于框架沿轴线平移；

-连接到转子的输出轴，

-构造成产生转子的旋转微运动的定子，该定子设计成与圆形驱动表面接触，以驱动圆形驱动表面并使转子旋转。

该机构的显著之处在于：

-转子包括第二螺纹部分，该第二螺纹部分由包括圆形驱动表面的中心部分与第一螺纹部分分开，

-阻挡装置构造成防止输出轴相对于框架绕轴线旋转，

-输出轴具有设计成固定要移动的负载的第二部分和与转子的第二螺纹部分配合的螺纹第一端部，转子相对于框架的旋转使输出轴相对于转子和框架沿轴线平移。

优选地，转子限定中空区域，并且圆形驱动表面是转子的内表面。

根据本发明的一改进，阻挡装置沿轴线是柔性的，并且阻挡装置有利地包括至少一个分段的膜片，该分段的膜片由以蜂窝、螺旋、十字或同心圆的形式布置的多个薄叶片形成。

根据本发明的一改进，定子包括由控制电路供电的振荡器，该控制电路将电信号传递到激励器，该激励器包括至少一个压电致动器以引起激励器的变形。

根据本发明的一改进，激励器在垂直于轴线的平面中呈现旋转对称性。激励器包括限定多个臂和多个压电致动器的支撑件，每个压电致动器通过柔性关节固定至支撑臂。

根据本发明的另一改进，每个压电致动器具有壳体，该壳体限定用于压电叠层的外壳，该壳体和压电叠层构造成使得压电叠层在第一方向上的第一值的变形导致壳体在第二方向上的高于第一值的第二值的变形，壳体在第二方向上连接到支撑件。

根据本发明的一改进，压电致动器的壳体与支撑件一起形成整体式组件。

根据本发明的一改进，圆形驱动表面是部分开放的，并且定子具有圆形的振荡块，该振荡块与圆形驱动表面接触以使转子旋转。

根据特定实施例，圆形驱动表面由通过多个臂固定到转子的轴上的多个扇区限定，该机构包括预加载系统，该预加载系统构造成在多个臂上施加应力并改变圆形驱动表面的半径。

根据特定实施例，控制电路向激励器提供至少一个正弦信号，该正弦信号的频率在1kHz和100kHz之间，从而产生振荡器的基本上椭圆形的振动。

根据本发明的一改进，控制电路将不对称锯齿形AC电信号传递到压电致动器。

根据特定实施例，振荡器设置有至少一个接触臂，至少一个接触臂在有效位置和无效位置之间径向移动，在有效位置，至少一个接触臂施加高于确保与圆形驱动表面粘附的阈值压力的接触压力，在无效位置，至少一个接触臂不与圆形驱动表面具有任何接触，或接触臂施加低于确保与圆形驱动表面粘附的阈值压力的接触压力。振荡器包括径向致动器，其通过控制电路供电并且构造成使至少一个接触臂在有效位置和无效位置之间移动。

根据特定实施例，接触臂包括磁电枢，并且径向致动器具有由控制电路供电并与磁电枢配合的线圈，以使磁电枢运动并使接触臂在有效位置和无效位置之间运动。

根据本发明的另一实施例，接触臂可移动地安装在以固定方式装配在激励器上的枢轴连杆上。

本发明的另一目的是提供一种这样的运动控制机构的操作方法，该方法易于使用并且与现有技术的设备相比，具有更好的机械强度，并具有较高的定位分辨率。

这些优点倾向于通过根据前述实施例之一的使用运动控制机构的第一方法来实现，并且该第一方法依次包括以下阶段：

-以第一变形率使振荡器变形以引起转子的旋转运动，该振荡器从参考位置变形并且与圆形驱动表面粘附机械接触，

-以高于第一变形率的第二变形率使振荡器变形，以将振荡器驱动至参考位置，第二变形率导致振荡器相对于圆形驱动表面滑动。

这些优点倾向于通过根据前述实施例之一的使用运动控制机构的第二方法来实现，并且该第二方法依次包括：

-将接触臂置于有效位置，以实现接触臂的接触并且与圆形驱动表面粘附，

-使振荡器从参考位置变形以获得与圆柱驱动表面相切的分量，振荡器的变形导致转子旋转，

-将接触臂置于无效位置，以消除与圆形驱动表面的机械接触，或在接触臂和圆形驱动表面之间施加低于粘附阈值压力的接触压力，

-将振荡器移回到参考位置。

附图说明

从以下仅出于非限制性示例目的给出并在附图中表示的本发明的特定实施例和实施方式的描述，其他优点和特征将变得更加明显，其中：

-图1以截面图示意性地示出了基于螺杆的平移运动控制机构的第一实施例；

-图2以截面图示意性地示出了基于螺杆的平移运动控制机构的第二实施例；

-图3以截面图示意性地示出了基于螺杆的平移运动控制机构的更详细的第三实施例；

-图4以透视图示意性地示出了设置有柔性轴承的运动控制机构；

-图5以透视图示意性地示出了不具有框架的一部分的基于螺杆的平移运动控制机构的第三实施例；

-图6以透视图示意性地示出了设置有振荡块和可旋转激励器的定子；

-图7以透视图示意性地更详细地示出了可旋转激励器；

-图8示出了用于执行惯性步进型转子的运动的振荡器的控制信号的时序图；

-图9以截面图示意性地示出了径向接触致动器的第四实施例；

-图10示出了图9所示的机构的控制信号的时序图，以执行准静态步进型转子的运动。

具体实施方式

参考图1和2，平移运动控制机构包括转子1，也称为转子子组件。转子1具有第一端3，该第一端3具有包括第一螺纹的第一螺纹部分2。第一螺纹具有第一螺距。转子1的第二端5具有第二螺纹部分6，该第二螺纹部分6包括第二螺纹，该第二螺纹的第二螺距与第一螺距相同或不同。图1示出了第一螺纹部分2和第二螺纹部分6，它们均是具有外部螺纹的杆的形式。图2示出了第一螺纹部分2和第二螺纹部分6，它们均是具有内部螺纹或攻螺纹的杆的形式。当然，可以使转子1的一端带有螺纹而另一端带有攻螺纹。

在第一和第二螺纹部分2和6之间设置有限定转子1的有效区域7的中央部分4。有效区域7具有半径为R的有利的圆形驱动区域9，其旋转对称轴线为轴线z，其也是第一和第二螺纹部分2、6以及更一般地转子1的旋转轴线。有利地，驱动表面9具有垂直于轴线z的方形横截面。

有利地，圆形驱动区域9被摩擦层8覆盖。摩擦层8增大了有效区域和与驱动区域9接触以使转子1旋转的定子之间的摩擦系数。提供摩擦层8以具有良好的耐磨性是特别有利的。选择具有大于0.1优选地包括在0.2和0.5之间的粘附系数的材料以形成摩擦层是有利的。

运动控制机构包括框架10，该框架也称为固定基座子组件。框架10具有带有第一壁11的第一表面，该第一壁限定了具有第一螺距的第一螺纹部分12并且与转子1的第一螺纹部分2配合。框架10的第一螺纹部分12与转子1的第一螺纹部分2之间配合使转子1相对于框架10旋转，并使转子1相对于框架10沿轴线z平移。换句话说，转子1的第一端3和框架10的壁11是与螺母一起操作以在第一端3和壁11之间形成螺杆连接的螺杆的形式。如图1所示，框架10的第一螺纹部分12可以是攻螺纹孔。如图2所示，框架10的第一螺纹部分12可以是螺纹的凸出区域。

运动控制机构包括具有第一端13a和第二端13b的输出轴13。输出轴13的第一端13a是具有螺纹的螺纹端或攻螺纹端，该螺纹具有第二螺距以与转子1的第二螺纹部分6配合。第一端13a与第二螺纹部分6之间的配合允许转子1相对于输出轴13旋转以及输出轴13沿轴线z相对于转子1平移。根据实施例，输出轴13可以是管或杆。

图1示意性地示出了呈攻螺纹孔形式的第一端13a，该第一端13a具有的螺纹部分具有第二螺距。输出轴13与转子1配合，使得转子1的第二端5插入输出轴13的攻螺纹孔。图2示意性地示出了呈凸出区域形式的第一端13a，该第一端13a具有的螺纹部分具有第二螺距。输出轴13与转子1配合，使得输出轴13的螺纹凸出部分插入转子1的带攻螺纹的第二端5。

输出轴13的第二端13b具有用于固定负载14的固定接口，该负载14设计成沿轴线z平移移动和定位。负载14有利地是沿轴线z平移的镜子，用于执行光学系统的重新聚焦。还可以通过另一移动来移动镜子以进行瞄准。负载14也可以是物体的可变形区域，例如自适应光学镜。还可以提供负载以形成或成为合适的电信天线的一部分。负载也可以形成电磁阀的针。

框架10具有阻挡装置15，该阻挡装置15构造成防止输出轴13相对于框架10绕轴线z旋转。

在特定实施例中，框架具有由第二壁16限定的第二表面，输出轴13穿过该第二壁。第二表面与第一表面相对。第二壁16有利地限定第二孔，用于插入输出轴13并且使输出轴13相对于框架10沿轴线z平移。框架10和输出轴13可以限定阻挡装置15。

在特定构造中，通过输出轴13的外壁的特定形状与布置在壁16中的孔的特定形状配合，获得输出轴13相对于转子1的旋转的阻挡。例如，输出轴13的外壁的形状和壁16的孔的形状可以互补且非圆形。

作为替代或补充，输出轴13包括销17，该销17与沿壁16中的轴线z定向的凹槽18配合，以防止输出轴13绕轴线z旋转。销17和凹槽18可以允许轻微的旋转间隙。

由于输出轴13被旋转阻挡，因此可以将负载14固定安装在输出轴13上，从而弥补有关文献JPH08251950和US2012314269的缺点。

运动控制机构包括定子19，该定子19具有构造成相对于参考位置有利地通过变形而运动的接触区域22。定子的接触区域22与转子的驱动区域9接触并且从其参考位置移动。当发生这种运动时，它使驱动区域9移动，从而使转子1旋转。定子19通过接触区域22在转子1上施加力。更具体地，定子19变形，并且该变形在驱动区域9上施加切向力。定子19是机电激励器或振荡器。

换句话说，定子19的接触区域22与驱动表面9接触，从而由接触区域22施加在驱动表面9上的运动使转子1旋转。

定子19包括控制电路20，其激励机械振荡器21。振荡器21固定在框架10上，并围绕静止位置或围绕参考位置变形。在没有电源的情况下获得振荡器21的静止位置。参考位置可以代表参考电源或静止位置。振荡器21使与驱动区域9接触的接触区域22活动以驱动转子1旋转。

控制电路20产生发送到振荡器21的信号，从而振荡器21产生设计成使转子1绕轴线z旋转的微运动。控制电路20可以通过任何合适的方式例如通过电缆连接至振荡器21。微运动是线性的微平移，其切向地传输到转子，以使转子旋转。振荡器21具有与转子1的圆柱形驱动区域9接触的接触区域22。在特定实施例中，控制电路20配置为施加使振荡器21围绕其参考位置振荡的振荡信号。

以有利的方式，振荡器21的接触区域22的微平移运动通过摩擦执行驱动表面9的驱动，从而导致转子1的微旋转。转子1的该微旋转产生沿输出轴13的轴线z的平移微运动。重复这些微运动时，获得输出轴13的长平移，从而执行负载14沿轴线z平移的定位。

在特定实施例中，振荡器21在驱动区域9上施加永久接触。由定子产生的微运动导致转子1以被称为通过滑动粘附的运动的方式移动。

在通过定子的缓慢运动获得的粘附阶段中，振荡器21与转子接触，从而振荡器21的运动使转子1旋转，在定子和转子之间保持粘附。在通过定子的高速运动获得的滑动阶段中，振荡器21保持与转子1接触，但是在驱动区域9上滑动。有利地，控制电路20借助于振荡器21在转子1上施加瞬态激励，以便相继地产生引起相对于转子1滑动阶段的电信号。定子的变形以保持与转子的粘附的第一变形率进行。在转子沿第一方向旋转之后，通过定子在第二方向上以较高的变形率变形来执行定子相对于转子的滑动步骤。一旦定子的变形已经停止，就可以执行定子的缓慢变形，以通过惯性产生或不产生转子的运动。

在另一特定实施例中，为了通过滑动粘附实现运动，控制电路20借助于至少一个正弦信号激励振荡器21，该正弦信号的频率大于1kHz且小于100kHz，优选地大于20kHz，为超声波。控制电路20借助于振荡器21在转子1上施加至少一个谐波激励，以便在振荡器21的谐振处产生基本上为椭圆形的振动。两个实施例可以由同一控制电路相继施加。

在另一特定实施例中，微运动使得转子1能够以称为分离-粘附的方式运动。在微运动期间，振荡器21在分离阶段与转子1失去接触，然后在粘附阶段与转子1重新接触。粘附阶段可以在保持转子1的位置方面发挥作用。

根据该特定实施例，为了通过分离-粘附来进行运动，控制电路20和振荡器21形成准静态步进电动机的定子。控制电路20借助于振荡器21在转子1上施加准静态激励，以便在转子1上产生准静态运动。当在振荡器21和转子1之间接触时，发生粘附以使转子旋转。

通过由转子1的第一螺纹部分2和框架10的第一螺纹部分12形成的螺旋缠绕螺纹连接，固定到框架10的转子1的旋转导致转子沿着轴线z的平移运动。转子1的旋转方向定义了转子1沿轴线z运动的方向，以使转子的中心部分4朝向或远离壁11移动。转子1的一整圈沿轴线z产生的平移值等于转子1的第一螺距。当转子1旋转时，阻挡系统16防止输出轴13绕轴线z旋转。输出轴13平移而不旋转。

转子1的第二螺纹部分6通过具有相对于转子1的第二螺距的螺旋连接对输出轴13进行导向。当转子1进行一整圈时，输出轴13相对于转子1平移运动距离等于第二螺距。

因此，当转子1旋转时，输出轴13相对于框架10的运动对应于转子1相对于框架10的平移和输出轴13相对于转子1的平移之和。

在图1所示的特定实施例中，螺纹部分2和6的螺纹定向成形成差动组件。转子1的一整圈导致输出轴13的平移值等于具有不同螺距的第一和第二螺纹部分2和6的螺距之差。差动组件能够使输出轴13的行程相对于转子1的行程减小要获得的预定因子。转子1相对于框架10在一个方向上平移，而输出轴13相对于转子1在另一方向上平移。

在图2中示出的另一特定实施例中，螺纹部分2和6的螺纹为附加构造的形式。转子1的一整圈导致输出轴13的平移值等于第一和第二螺纹部分2和6的螺距之和。转子1相对于框架10沿一个方向平移，输出轴13相对于转子1沿相同的方向平移。

在这两种情况下，负载14(或输出轴13)和框架10之间的力链仅通过转子1和两个螺纹的螺纹连接，而不通过激励装置19或附加轴承。这种配置形成了运动控制机构，可增强抵抗外部应力、振动和冲击的能力。由于螺纹2和6的螺纹连接中存在的摩擦，转子1、输出轴13和负载14在断电时自然被阻挡在适当位置，无论它们处于什么中间位置。

由于结合了旋转和平移的运动控制系统的运动学原理，位于驱动表面9上的点M描绘了半径R绕轴线z的螺旋路径。因此，接触区域22与驱动表面9的母线的不同点接触。因此，驱动表面9的外层的磨损均匀地分布，从而使运动控制机构具有更长的使用寿命。

取决于定子19的设计，定子的接触区域22的线性微运动的幅度可以位于1μm至100μm之间，通常为10μm。因此，对于驱动表面9的半径R等于16mm并且微运动幅度等于10μm，转子1以约10000次振荡进行全旋转。根据图1，在转子1的差动构造具有第一螺距P2＝1mm和第二螺距P6＝1.1mm的情况下，每转螺纹的平移为T＝P6-P2＝0.1mm。考虑到每转所需的振荡次数，该机构的线性分辨率因此为10nm。

控制电路20可以借助于至少一个位置传感器精确地测量输出轴13或负载14的位置而在开环或闭环中操作。闭环控制和位置传感器的实现使得可以利用该机构的纳米分辨率来实现纳米精度的控制。这种纳米精度可以在断电时完成机构的阻挡在适当位置，并具有出色的抗外部应力、振动和冲击的能力，从而为实现车载系统的高精度定位提供了合适的解决方案。控制电路20从未图示的位置传感器接收数据。来自位置传感器的数据代表输出轴13相对于框架10的位置。控制电路20将电信号传输到振荡器21，直到位置传感器传输代表所需位置的信号。

根据图2，在转子1的附加配置中，螺距P2＝1mm和P6＝1mm时，每转螺纹的平移为T＝P6+P2＝2mm。考虑到每转所需的振荡次数，该机构的线性分辨率因此为200nm。此配置的分辨率低于差动配置，但适用于某些车载微定位应用。反过来，该解决方案提供了更高的行程速度，并且具有以下优点：在断电时将机构保持在适当位置，并且具有出色的抗外部应力、振动和冲击的能力。

图3、5、6和7示出了图1和2所示的平移运动控制机构的不同的更详细的实施例。与前述实施例一样，它又包括转子1、框架10、构造成激励和转动转子1的机电激励电路19以及配合成使输出轴13平移的第一和第二螺纹部分。

尽管图1和2所示的实施例使用具有连续第二接触表面9的有效区域7，但是图3和5所示的实施例代表具有部分开放的接触表面9的构造。转子1的有效区域7由彼此分开的多个扇区形成。振荡器21与不同的扇区接触以引起微旋转。

在图3和5所示的实施例中，转子1设置有中空的中央区域4，以便限定例如钟形或杯形。因此，将转子1的内表面用作驱动表面9是有利的。仍然优选具有圆形或大致圆形的驱动表面，以增强对转子1的旋转的控制。在这种情况下，振荡器21位于钟形/杯形的内部，以使其与驱动表面9的内表面接触。

如前所述，转子1的旋转在振荡器21与驱动表面9接触并切向移动时发生。因此，特别有利的是掌握振荡器21与驱动表面之间的接触以确保有效地传递力。

在图3和5所示的实施例中，转子1包括多个扇区23，此处为三个扇区23a、23b、23c，其固定在转子1的中心轴上。驱动表面9被分段并且限定了圆形横截面或同化为圆形横截面的圆柱形表面。在旋转时，驱动表面9限定圆，其中心位于轴线z上。

扇区23a、23b、23c通过臂24a、24b、24c连接到中心轴。有利的是，使转子1包括预加载系统25，其设计成在臂24a、24b、24c上施加应力以使它们变形。扇区彼此间隔开。

臂24a、24b、24c的变形使扇区23a、23b、23c运动，以使驱动区域9朝向振荡器21运动，以实现高质量接触。在图3和5所示的实施例中，预加载系统25配置为使内驱动表面9朝向振荡器21移动，从而减小半径R。在如图1所示的定子作用在圆柱形转子的外表面上的替代实施例中，预加载系统25配置为将外驱动表面9朝向振荡器21驱动，从而增加半径R。

预加载系统可以由盘26、垫圈27和螺母28形成，它们布置成通过使臂24a、24b、24c变形来使扇区23a、23b、23c变形并产生扇区23a、23b、23c的径向运动。预加载系统25设计成维持转子1的分段驱动表面9的表面与振荡器21之间的接触。预加载系统25使得能够施加灵活的预加载力，从而执行占据由于驱动表面9或接触表面22的磨损随时间变化而导致的间隙的功能。

在臂24a、24b、24c上设置厚度减小的区域29a、29b、29c是有利的，以使得更容易通过预加载系统25获得径向运动。

在所示的实施例中，框架10由多个部分形成，包括形成第一壁11的第一部分。第一部分固定到限定第二壁16的第二部分。在图3和4所示的实施例中，输出轴13限定了固定接口，用于固定设计为沿着轴线z驱动和平移的负载。

在图3和4所示的特定实施例中，阻挡装置15使用柔性轴承30，该柔性轴承30优选地经由一个或多个间隔件31固定到输出轴13和框架10。柔性轴承30设计为以便在平移方向z上具有柔性，并在其他方向上具有刚性。其目的尤其是为了防止输出轴13绕轴线z旋转，而且还消除了不同的寄生旋转。

柔性轴承30有利地为至少一个分段的膜片的形式，例如由多个薄叶片形成的膜片，所述薄叶片以蜂窝、螺旋、十字或同心圆的形式布置。柔性轴承30由多个叶片形成，这些叶片具有垂直于平行于轴线z的不同表面的轴。柔性轴承30阻挡绕轴线z的旋转，同时允许沿输出轴13的轴线z的平移，其阻力小于转子1沿轴线z的平移力。该阻力例如可以通过调节间隔件31的长度来调节。该阻力防止在转子1的旋转方向变化时在第一和第二螺纹部分2和6的高度处产生内部间隙。

柔性轴承30可以用作前述所示的阻挡装置的补充或替代，例如作为在凹槽18中延伸的销17的补充或替代。

根据一特定实施例，振荡器21具有与驱动表面9配合的圆形接触部分。振荡器21优选地以整体钟形或杯形的形式出现，其在转子1内部移动并且具有面对转子1的驱动表面9的圆形横截面的接触区域22。振荡器21的该实施例有助于惯性操作模式，从而导致转子1以滑动粘附方式驱动。在图3所示的实施例中，振荡器21为杯形，其容纳在由转子1的有效区域7限定的钟形内。作为替代，转子1的有效区域7是容纳在由振荡器21限定的钟形内的杯形。在这两种情况下，都可以将振荡器21或有效区域7(位于杯形内)设置为盘形。

振荡器21有利地通过预加载系统25保持与驱动表面9压接触，以促进由振荡器21驱动转子1的滑动粘附。

在图3、5和6所示的特定实施例中，振荡器21具有与激励器33相关的振荡块32。这里，振荡块32以盘的形式并且有利地以杯的形式示出。振荡块32限定孔34，转子1的第一端3穿过该孔。振荡块32也可以称为定子环。激励器33是变形的装置，以使振荡块32相对于参考位置移动。激励器33以变形模式被激励，使得能够在振荡块32和驱动表面9之间产生与接触区域相切的力。激励器33有利地是压电激励器。

激励器33有利地是角度致动器。振荡块32通过穿过振荡块32并固定到激励器33的螺纹接口36a、36b、36c(例如固定到如7所示的角度致动器的三个螺纹接口36a、36b、36c)的三个螺杆35a、35b、35c固定到激励器。角度致动器33是指激励装置，其配置成通过角位移旋转，在所示示例中通过绕轴线z旋转来产生致动器的运动。切向于接触区域22产生的位移是微米的。有利地，位移在1-1000微米范围内。

在特定实施例中，角度致动器33由三个压电致动器37a、37b、37c构成，例如三个放大的压电致动器。三个压电致动器37a、37b、37c连接到包括三个分支的支撑件38。以有利的方式，三个分支在垂直于轴线z的平面中均匀地间隔开角度。优选地，角度致动器33呈现绕轴线z的旋转对称性，旋转角度等于360°/n，其中n是分支和/或压电致动器的数量。压电致动器的变形使得支撑件38绕轴线z旋转。有利地，压电致动器具有的端部52设计成直接或间接地固定至框架10并根据其变形来移动支撑件38。

每个压电致动器通过柔性关节39a、39b、39c之一连接到支撑件38的分支。柔性关节39a、39b、39c将支撑件38的侧表面连接至压电致动器37a、37b、37c。两个相邻的压电致动器由分支隔开，并且两个相邻的分支由压电致动器隔开。

有利地，压电致动器37a、37b、37c、分支和支撑件38形成由同一种材料制成的整体式组件。支撑件38是星形的，具有用于转子1的第一端3穿过的孔44。每个压电致动器37a、37b、37c包括壳体41，壳体优选地由金属制成，该壳体可以具有椭圆形或菱形的形状。每个压电致动器37a、37b、37c包括压电堆叠42，例如多层压电陶瓷。壳体41限定用于安装压电堆叠的外壳。将尺寸调节至压电叠堆的尺寸，使得压电叠堆的伸长导致壳体41的收缩。有利地，压电致动器均具有限定用于压电叠堆的外壳的壳体。壳体和压电叠堆构造成使得压电叠堆在第一方向上变形第一值导致在第二方向上变形的第二值高于第一值。壳体在第二方向上连接到支撑件。支撑件38沿第二方向移动。

有利地，压电致动器37a、37b、37c布置在垂直于轴线z的同一平面中。有利地，压电堆叠42也是如此。

每个压电堆叠42具有通过电缆电连接到控制电路20的电极43。当压电装置42通电时，它们基本上与施加的控制电压成比例地变形，并沿其主轴产生微运动。例如，长度为10mm的压电堆叠对于0至150V的电压产生的行程为0至10μm。压电堆叠42的微变形被壳体41放大，产生沿壳体41的短轴定向的放大的线性微运动。放大值可以等于5时，由此对于0至150V的电压范围而获得的幅度范围为0至50μm。这些放大的线性微运动中的每一个都经由柔性关节39传递到星形支撑件38。放大的压电致动器由申请人以商品名

出售。在文献FR2740276中描述了放大的压电致动器。

布置角度致动器33的压电致动器37，使得它们的所有微运动一起产生支撑件38且因此振荡器21的角度微运动。这些切向微运动的幅度可以在0到50μm之间变化，这取决于所施加的电信号的值。

为了通过滑动粘附实现转子1的运动，控制电路20施加第一信号，该第一信号导致振荡器21的缓慢变形。在该缓慢变形期间，转子1执行微旋转。在设想的实施例中，振荡器21与转子1连续接触。当振荡器21返回其参考位置时，防止转子1返回其初始位置。振荡器21以更快的变形率返回，从而利用转子1的惯性获得转子1相对于振荡器21的滑动。后者负责其滑动并防止转子沿相反方向运动。重复这些运动可以实现转子1的大行程。

转子1的这种运动可通过借助于控制电路20施加呈非对称锯齿形信号形式的电激励信号来获得，比如图8中所示的那些信号。振荡器21在与转子相切的方向上产生振荡角度微位移，其呈现为一系列缓慢的变形，并且高速返回到参考位置。电激励信号有利地是周期性的。图8示出了由控制电路20传送的使激励器33变形的周期性信号V33。

为了示例的目的，激励信号优选是具有与下降沿形状不同的上升沿形状的非对称信号。与下降沿形状不同的上升沿形状是指，当出现电压峰值时，达到信号最大值所需的时间与达到信号最小值所需的时间不同。可替代地，在上升沿上的信号形状与在下降沿上的信号形状不同。有利地，时间差比大于5，优选地大于10。在图8的示例中，上升沿的持续时间基本上大于下降沿的持续时间。后者也可能是这种情况。具有不同频率的正弦信号混合时，还有许多其他信号形状。

通过反转图8的控制信号，即通过从参考位置高速变形，然后缓慢返回参考位置，可以获得转子1在相反方向上的角度微运动。

在振荡器21的每次振荡中，振荡器21都会产生转子1的微旋转。转子1的这种微旋转会产生沿输出轴13的轴线z的平移微运动。重复这些微运动时，获得输出轴13的长平移，使得负载14能够沿z平移。

可以实现这样一种运动装置，其中转子1的切向微运动的幅度可以在0至50μm的范围内，这取决于控制电路20施加在例如压电装置上的最大电压。因此，对于半径R等于16mm、幅度例如为50μm的驱动表面9，以约2000次振荡执行转子1的全旋转。

在第一和第二螺距等于1mm和1.1mm的转子1的构造中，在差动构造中，转子1的每转平移为T＝0.1mm。差动配置使输出轴13的行程能够相对于转子1的行程减少10倍。由于每转所需的振荡次数，该机构在最大电压(例如150V)下的线性分辨率是50nm。应用相同的原理，通过将控制电压例如从150V降低到15V，该机构的线性分辨率为5nm。

对于每个螺纹部分，如果第一和第二螺纹部分的长度大于20mm，则转子1的行程可能至少为20mm。考虑到输出轴13的行程与转子1的行程相比减小了10倍，输出轴13的行程可以达到2mm的值。

作为上述实施例的补充或替代，定子19有利地构造成限定机构的精细定位模式。为了获得良好的定位模式，有利的是施加电信号，其中使施加在压电致动器37上的电压缓慢变化。以这种方式，可以利用转子与振荡器21的粘附。压电致动器37的微位移从振荡器21连续地传递到转子1。转子1的旋转导致转子1的平移和输出轴13的平移。在该实施例中，输出轴13的平移行程与压电致动器37的控制电压成比例。通过使电压从0变化到3V，输出轴13的平移行程可以等于1nm。运动控制机构的线性分辨率可以约为1nm。相对于2mm的大行程，对于1000000，即20位，相对分辨率小于1。通过振荡器21的高速变形来返回参考位置。

如前所述，控制电路20可以借助于测量输出轴13的位置的至少一个位置传感器以开环或闭环方式操作。闭环和位置传感器的实现有利于利用运动控制机构的纳米分辨率来执行纳米定位。

运动控制机构在断电时提供阻挡在适当位置，对外部应力、振动和冲击具有很好的抵抗力，并且具有纳米精度，从而可以为车载系统提供合适的高精度定位解决方案。

图9示出了定子19的另一实施例。定子19包括振荡器21和控制电路20。驱动表面9有利地由钟形或杯形的内表面限定。

控制电路20配置为施加电信号以执行准静态逐步驱动，从而有利地实现分离-粘附型的转子的运动。

振荡器21借助于激励器33(例如图5中所示的角度致动器)移动。

振荡器21设置有相对于激励器33可移动地布置的多个接触区域22a、22b，使得接触区域可相对于激励器33的变形限定另外的运动。

对于具有圆形横截面的振荡器21，接触区域22a、22b各自径向地移动以形成或防止振荡器21与驱动区域9之间的接触。有利地，使用至少两个接触区域22a、22b。如果使用两个接触区域，则将它们沿直径放置。接触区域彼此间隔开并且可以同时或独立地致动。

接触区域22a和22b布置成跟随激励器33的变形。接触区域22a和22b布置在可动接触臂50上以形成可动接触区域。

接触臂50具有有效位置和无效位置。在有效位置，在接触区域22a/22b与驱动表面9之间形成接触。在无效位置，接触区域22a/22b与驱动表面9之间不存在接触。可替代地，接触区域22a/22b和驱动表面9之间的接触压力低于阈值压力，以确保在接触区域处于无效位置时发生粘附。压力的减小增强了接触区域22a/22b相对于驱动表面9的滑动。

如前所述，在臂的有效位置，振荡器21的运动被施加到转子1。

在有利的实施例中，接触区域22a和22b布置成可沿圆形驱动区域9的半径移动以在有效位置和无效位置之间切换。优选地，接触区域22a和22b可移动地围绕装配在激励器33上的枢转轴线例如枢转销44a、44b枢转。

振荡器21包括径向致动器45，该径向致动器45构造成在有效位置和无效位置之间切换接触臂50。有利地，径向致动器45构造成通过旋转而径向地移动接触臂50，以在有效位置和无效位置之间切换。径向致动器45引起接触臂50的运动，以形成或破坏接触区域22a、22b与驱动区域9之间的接触。

在所示的实施例中，径向致动器45固定安装在激励器33上，并且接触臂50的枢轴或旋转销44a、44b固定安装在径向激励器45上。以这种方式，激励器33的运动引起接触臂50的运动。当至少一个接触臂50处于有效位置时，激励器33的角度变形施加到旋转运动的转子1上。

通过使接触区域22a、22b在有效位置和无效位置之间移动，可以调节振荡器21的直径。

臂50优选地包括磁电枢51，其优选地由铁磁材料制成。磁电枢51的致动引起接触臂50的旋转，从而形成或破坏接触区域22与驱动区域9之间的接触。

在特定实施例中，径向致动器45是电磁类型的电磁致动器，其在电枢51上施加或不施加磁化以使臂旋转。在特定实施例中，径向致动器45具有电磁体。优先地，径向致动器45由有利地由铁磁材料制成的磁路形成，该磁路具有沿轴线z磁化的永磁体47a和47b的极46a和46b以及线圈49。磁路可以由限定线圈49的外壳的部分形成，壳体的侧壁将场线引向电枢51。

旋转轴或旋转销44优选是柔性引导部件，其提供柔性偏置效果。振荡器21沿着轴线z限定出中心孔，以使转子1通过。

当线圈49通电时，产生磁场，并且臂被吸引并粘附在径向致动器45的极46a、46b上。永磁体47a和47b的尺寸被确定为有助于这种吸引。接触区域22a、22b通过围绕旋转销44a、44b的杠杆作用压靠在转子1的驱动表面9上。

在特定实施例中，当线圈49断电时，臂与极46a、46b分离。通过围绕旋转销44a、44b的杠杆作用，接触区域22a和22b的接触压力减小，导致振荡器21和转子1之间的摩擦最小。

在特定形式的实施方式中，由线圈49借助于电路20的控制确保振荡器21相对于转子1的脱离状态或至少显著减小接触压力。

可以使用带间隙的分段驱动表面或连续驱动表面。如果驱动表面是分段的，则优选具有大于驱动表面的两个连续区域之间的间隔距离的宽度的接触区域或具有比分段区域数量更大数量的接触区域，以确保有效的接触，无论振荡器相对于驱动表面的位置如何。

有利地，控制电路20以同步的方式向角度致动器33和径向致动器45供电。例如，图10中所示的时序图可用于获得准静态逐步类型的操作。

在时间t0，向径向致动器45提供电压V45和电流I45，并且接触臂移动以将振荡器21与驱动区域9机械地连接。振荡器21不运动并且处于参考位置。输出轴13处于参考位置。

然后，在时间t1，通过电压V33逐渐地对角度致动器33供电，该电压V33产生代表旋转运动的振荡器21的变形。当接触臂执行振荡器21与转子1之间的机械连接时，振荡器21从参考位置的角度致动传递到转子1，转子1导致输出轴13执行一个步骤U13，即沿轴线z的平移。输出轴13从参考位置移动距离U13。

在时间t2，径向致动器45的电源减小并且优选地反向，以便产生接触臂50的径向收缩运动，从而使振荡器21与驱动区域9机械地断开，或者至少显著地减小了接触压力，从而允许区域9在表面22上的滑动。电流供应致动器径向45也是如此。振荡器保持通电，以保持其变形并防止返回参考位置导致转子1移动到其初始位置。

在时间t3，角度致动器33的电压V33逐渐减小直到其达到0以引起角度致动器33的返回运动。角度致动器返回到其参考位置。

在时间t4，在周期的末尾，当径向致动器45和角度致动器33的电源中断时，输出轴13执行了平移，该平移代表图10中标记为U13(1)的基本步骤。

通过多次重复这样的循环，即将步骤t0至t4链接几次，输出轴13移动多个步骤，从而能够获得输出轴13的大行程。为了反转运动方向，角度致动器33的电源时序图仅需反转，即执行序列t1、t0、t3、t2、t4。可以保持施加相反极性电压的初始序列以获得振荡器21在另一方向上的移动。

如先前的实施例一样，可以通过减小施加到压电致动器37的电压来减小角度致动器33的行程。从而可以减小振荡器21的角度位移。此外，通过利用转子1的螺距的不同布置，可以获得输出轴13和负载14的纳米平移。

径向可移动臂50的使用使得能够有效地控制施加在振荡器21和驱动区域9之间的接触压力，直到可以将振荡器21与转子分离并且可以进行转子1的驱动而没有任何抖动。径向可移动臂50的使用意味着减少了机构中微振动的产生，这在某些纳米位置应用中也是期望的。

特别有利的是提供一种使用前述机构的光学系统，例如干涉仪、望远镜、照相机或激光瞄准系统。提供包括至少一个合适的远程通信天线的电磁信号发送器或接收器也是有利的，通过负载14的位移获得其合适性。还可以形成电流体系统，例如电磁控制阀，其中负载有利地形成电磁阀的针。

这些机构最好车载安装在观察或通信卫星、飞机、直升机和太空发射器上，因为它们可以承受加速载荷所引起的高应力。这些机构在海洋和陆地应用中，例如在大型望远镜或光刻设备中，对诸如大型镜子或大型透镜之类的重物进行精确的机动化也具有一定的兴趣，而不会受到周围振动或地震的损害。

Claims (17)

1.一种输出轴(13)的线性运动控制机构，包括：

-转子(1)，其具有第一螺纹部分(2)和可绕轴线(z)旋转的圆形驱动表面(9)；

-框架(10)，该框架限定与转子(1)的第一螺纹部分(2)配合的第一螺纹部分(12)，转子(1)的第一螺纹部分(2)装配成与框架(10)的第一螺纹部分(12)形成螺旋连接，从而使转子(1)相对于框架(10)的旋转导致转子(1)相对于框架(10)沿轴线(z)平移；

-连接到转子(1)的输出轴(13)，

-构造成产生转子(1)的旋转微运动的定子(19)，该定子(19)具有振荡器(21)，该振荡器(21)具有设计成与圆形驱动表面(9)接触的接触区域(22)，以移动圆形驱动表面(9)和转子(1)，

其特征在于：

-所述转子(1)包括第二螺纹部分(6)，该第二螺纹部分(6)沿着轴线(z)由包括圆形驱动表面(9)的中心部分(4)与第一螺纹部分(2)分开，

-阻挡装置(15)构造成防止输出轴(13)相对于框架(10)绕轴线(z)旋转，

-所述输出轴(13)具有设计成固定要移动的负载(14)的第二部分(13b)和与转子(1)的第二螺纹部分(6)配合的第一螺纹部分(13a)，输出轴(13)的第一螺纹部分(13a)装配成与转子(1)的第二螺纹部分(6)形成螺旋连接，从而转子(1)相对于框架(10)的旋转使输出轴(13)相对于转子(1)和框架(10)沿轴线(z)平移。

2.根据权利要求1所述的线性运动控制机构，其特征在于，所述转子(1)限定中空区域，并且所述圆形驱动表面(9)是转子(1)的内表面。

3.根据权利要求1所述的线性运动控制机构，其中，所述阻挡装置(15)沿着轴线(z)是柔性的。

4.根据权利要求3所述的线性运动控制机构，其中，所述阻挡装置(15)包括由多个薄叶片形成的至少一个部分打开的膜片，所述薄叶片以蜂窝、螺旋、十字或同心圆的形式布置。

5.根据权利要求1所述的线性运动控制机构，其中，所述振荡器(21)具有设置有至少一个压电致动器(37)的激励器(33)，所述压电致动器布置为使激励器(33)变形，振荡器(21)由致动激励器(33)的控制电路(20)供电，接触区域(22)固定在激励器(33)上。

6.根据权利要求5所述的线性运动控制机构，其特征在于，所述激励器(33)在垂直于轴线(z)的平面中呈现旋转对称，并且其中，所述激励器(33)包括限定多个臂和多个压电致动器(37a、37b、37c)的支撑件(38)，每个压电致动器(37a、37b、37c)通过柔性关节(39a、39b、39c)固定在支撑件(38)的臂上。

7.根据权利要求6所述的线性运动控制机构，其中，每个压电致动器(37)具有壳体(41)，该壳体限定用于压电叠层(42)的外壳，该壳体(41)和压电叠层(42)构造成使得压电叠层(42)在第一方向上的第一值的变形导致壳体(41)在第二方向上的高于第一值的第二值的变形，壳体(41)在第二方向上连接到支撑件(38)。

8.根据权利要求7所述的线性运动控制机构，其中，所述压电致动器(37)的壳体(41)和所述支撑件(38)形成整体式组件。

9.根据权利要求1所述的线性运动控制机构，其特征在于，所述圆形驱动表面(9)被分段，并且所述定子(19)具有圆形的振荡块(32)，所述振荡块限定与圆形驱动表面(9)接触的接触区域(22)。

10.根据权利要求9所述的线性运动控制机构，其中，所述圆形驱动表面(9)由通过多个臂(24a、24b、24c)固定到转子(1)的轴上的多个扇区(23a、23b、23c)限定，所述线性运动控制机构包括预加载系统(25)，该预加载系统(25)构造成在多个臂(24a、24b、24c)上施加应力并改变圆形驱动表面(9)的半径。

11.根据权利要求5所述的线性运动控制机构，其中，所述振荡器(21)设置有至少一个接触臂(50)，所述至少一个接触臂(50)在有效位置和无效位置之间径向移动，在所述有效位置，至少一个接触臂(50)向圆形驱动表面(9)施加高于阈值压力的接触压力，该阈值压力设计为确保至少一个接触臂(50)与圆形驱动表面(9)之间的粘附，在所述无效位置，至少一个接触臂(50)不与圆形驱动表面(9)具有任何接触，或至少一个接触臂(50)施加低于所述阈值压力的接触压力，并且所述振荡器(21)包括径向致动器(45)，其通过控制电路(20)供电并且构造成使至少一个接触臂(50)在有效位置和无效位置之间移动。

12.根据权利要求11所述的线性运动控制机构，其中，所述至少一个接触臂(50)包括磁电枢(51)，并且所述径向致动器(45)具有线圈(49)，其由控制电路(20)供电，并且与磁电枢(51)配合以使电枢(51)和至少一个接触臂(50)在有效位置和无效位置之间移动。

13.根据前一权利要求所述的线性运动控制机构，其中，所述至少一个接触臂(50)可移动地安装在以固定方式装配在所述激励器(33)上的枢轴连杆(44)上。

14.一种使用根据权利要求1至10中任一项所述的线性运动控制机构的方法，依次包括：

-使振荡器(21)以第一变形率变形以引起转子(1)的旋转运动，使振荡器(21)从参考位置变形并与圆形驱动表面(9)粘附机械接触，

-使振荡器(21)以高于第一变形率的第二变形率变形以将振荡器(21)朝向参考位置驱动，该第二变形率导致振荡器(21)相对于圆形驱动表面(9)滑动。

15.根据权利要求14所述的使用线性运动控制机构的方法，包括将非对称锯齿形AC电信号施加到所述压电致动器(37)。

16.根据权利要求1至10中任一项所述的使用线性运动控制机构的方法，包括将至少一个正弦信号施加到所述振荡器(21)，所述正弦信号具有在1kHz和100kHz之间的频率以便通过振荡器(21)在转子(1)上施加至少一个谐波激励，以在振荡器(21)的谐振频率上产生基本为椭圆形的振动。

17.根据权利要求11至13中任一项所述的使用线性运动控制机构的方法，依次包括：

-将至少一个接触臂(50)置于有效位置，以实现至少一个接触臂(50)的接触并与圆形驱动表面(9)粘附，

-使振荡器(21)从参考位置变形以获得与圆柱形驱动表面(9)相切的分量，振荡器(21)的变形引起转子(1)的旋转，

-将至少一个接触臂(50)置于无效位置以消除与圆形驱动表面(9)的机械接触，或者在至少一个接触臂(50)和圆形驱动表面(9)之间施加低于粘附阈值压力的接触压力，

-将振荡器(21)移回到参考位置。

Images