CN113544966A - 机电马达和包括机电马达的可调谐滤波器 - Google Patents

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CN113544966A CN202080015475.1A CN202080015475A CN113544966A CN 113544966 A CN113544966 A CN 113544966A CN 202080015475 A CN202080015475 A CN 202080015475A CN 113544966 A CN113544966 A CN 113544966A
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Abstract

一种机电马达(1)包括定子(2)和平移体(10)。定子具有两个机电致动器(20)，这些机电致动器具有机电活性材料(26)和用于提供激励信号的装置(35)。平移体布置在机电致动器的驱动部分(22)之间并且与其驱动接触。定子具有被布置成使驱动部分保持抵靠平移体的弹簧元件(30)。机电致动器被布置成提供振动，该振动对平移体的表面引起驱动动作，该驱动动作指向垂直于法向力的方向的驱动方向(X)。机电马达进一步包括具有圆孔(52)的导引装置(50)。平移体具有至少部分地布置在圆孔中的圆柱形的导引部分(16)。还披露了一种包括这种马达的可调谐高频滤波器。

Description

机电马达和包括机电马达的可调谐滤波器
技术领域
本技术总体上涉及机电马达，具体地涉及这种适合于包含在可调谐滤波器中的马达。
背景技术
信息和通信技术(ICT)正在努力以更高频率传输无线电信号，以便以更高通信速度适应越来越多的数据。为了以高数据密度进行通信，需要限制频带。这通常通过使用射频滤波器来提供。随着所使用的频率增大，滤波器的尺寸需要在物理上更小。
为了提供灵活性，使这些滤波器可调谐是重要因素。因为可以使用更通用的滤波器，所以可调谐滤波器的设置也使滤波器版本的数量保持有限。可调谐滤波器的一个关键部分是适应提供滤波器的实际可调谐性的机械系统。可调谐性通常是通过将电介质移动到滤波器的腔体中来实现的。提供这种运动的马达和它周围的机械装置的尺寸变得至关重要。
对于前几代可调谐滤波器，电介质典型地由DC马达或步进马达控制，在所有情况下通过线性螺杆或主轴将旋转运动转化为线性运动。然而，由于减小物理尺寸，这对于5G滤波器来说是过于占用空间的解决方案。
压电马达对于应用来说是良好的选择，因为尺寸可以非常紧凑，同时仍然提供相当高的力输出。此外，压电马达可以长时间保持其位置而不消耗电流。因此，使马达尽可能紧凑至关重要。因此，原则上可以使用压电马达，但是到目前为止，所有提出的用于平移体零件的支承和导引的解决方案都占用了太多的空间，使得其不够紧凑。
发明内容
总体目的是提供一种适用于可调谐射频滤波器的更紧凑的马达解决方案。
上述目的是通过根据独立权利要求的方法和设备来实现的。在从属权利要求中限定了优选实施例。
总的来说，在第一方面中，一种机电马达包括定子和平移体。该定子具有两个机电致动器。这些机电致动器中的每一个具有机电活性材料和用于向该机电活性材料提供激励信号的装置。该平移体布置在这些机电致动器的驱动部分之间并且与其驱动接触。该定子具有弹簧元件，该弹簧元件被布置成通过法向力使该机电致动器的驱动部分保持抵靠该平移体的相应表面。这些机电致动器被布置成提供振动，该振动对该平移体的表面引起驱动动作。该驱动动作指向垂直于该法向力的方向的驱动方向。该机电马达进一步包括具有圆孔的导引装置。该圆孔具有平行于该驱动方向的圆对称轴线。该平移体具有圆柱形的导引部分。该导引部分至少部分地布置在该导引装置的圆孔中。
在第二方面中，一种可调谐高频滤波器包括封装了谐振腔的谐振器块。该可调谐高频滤波器进一步包括由该谐振器块连接的信号输入端和信号输出端。电介质体积被布置成可移动到该谐振腔中。该可调谐高频滤波器进一步包括根据该第一方面的机电马达。该机电马达的定子被机械附接到该谐振器块。该机电马达的导引装置构成该谐振器块的一部分。该电介质体积是该机电马达的平移体的导引部分的一部分或附接到该导引部分。
所提出的技术的一个优点在于，此解决方案节省了空间，并且所需要的部件的数量少。
当阅读具体实施方式时，将了解其他优点。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以最好地理解本发明及其进一步的目的和优点，在附图中：
图1示意性地展示了双致动器设计的实施例；
图2展示了双致动器设计中的运动限制原理；
图3A和图3B展示了机电马达的实施例；
图4展示了机电致动器的实施例；
图5展示了机电马达的定子的实施例；以及
图6展示了可调谐高频滤波器的实施例。
具体实施方式
在所有附图中，相同的附图标记用于相似或对应的要素。
为了更好地理解所提出的技术，从基于机电活性材料的激励的通用机电马达的简要讨论开始可能是有用的。
在本披露中，机电活性材料被定义为当被施加电压或电流时形状发生改变的材料。机电材料的典型示例是压电材料、电致伸缩材料和反铁电材料，并且这些材料可以是单晶的，也可以是多晶的或非晶的。
可获得的机电马达和致动器、特别是压电马达和致动器种类繁多。一种对设备进行分类的方式是根据它们的驱动机制进行划分。一种常用的驱动原理是使用具有机电活性材料的机电致动器。机电致动器典型地通过提供法向力的弹簧元件保持与要移动的主体(例如，平移体)的驱动接触。用于向机电活性材料提供激励信号的装置连接到机电致动器，并且当电压或电流激励机电活性材料时，机电致动器被布置成提供振动，该振动对平移体的表面引起驱动动作。该驱动动作指向垂直于该法向力的方向的驱动方向。因而，这种驱动原理在现有技术中是众所周知的，并且将不进行更详细的讨论。
可以例如在公开的国际专利申请WO 2005/031888 A1或公开的国际专利申请WO2007/051689 A1中找到使用这种驱动机制的马达的示例。
然而，这种类型的驱动只需要极其紧凑的驱动布置，同时仍维持足够的驱动力。因此，就尺寸而言，驱动力非常大，并且因此，无论何时要求小体积驱动，这种马达都是良好的候选项。
当使用这种振动机电致动器时，平移体必须不仅相对于机电致动器、而且典型地相对于弹簧元件是可移动的。因而，一种直接的解决方案是使用某种支承布置。然而，当使用非常小的马达时，与马达布置的其余部分相比，支承布置往往体积很大，并且通常需要精确的安装程序。
替代方案是使用所谓的双致动器设计，其中定子具有两个机电致动器。图1示意性地展示了双致动器设计的一个实施例。机电马达1包括两个机电致动器20。机电致动器20布置在平移体10的相反侧。因而，平移体10布置在机电致动器20的驱动部分22之间并且与其驱动接触。因此，驱动部分22至少在驱动循环的一部分期间具有与平移体10的驱动表面12、14的接触24。接触24可以是点接触、线接触或小面积接触。通过这种设计，弹簧元件30可以被布置成以法向力N对机电致动器20进行彼此相反地按压，其中平移体10位于这些机电致动器之间。因为机电致动器20相对于彼此是静止的，因此不需要与弹簧元件30有关的附加支承布置。因为机电致动器20当前可以以非常紧凑的设计生产，所以这种双致动器设计相比于基于支承的解决方案需要的体积可以更小。法向力的方向在本披露中被称为Z方向，而驱动方向被表示为X方向。Y方向被定义为指向图1的纸面内。
因省略支承布置所致的小缺点在于，支承布置典型地给予的导引特性也被去除了。代替地，取决于马达的应用，必须提供不同种类的导引布置。
机电致动器确实在法向力的平移方向上提供了导引。驱动方向上的平移是马达的所要求的动作，并且不应受到影响。然而，垂直于法向力且垂直于驱动方向的第三平移是未受导引的。
此外，平移体围绕平行于驱动方向的轴线的旋转仅被机电致动器的接触点的几何设计禁止。此外，围绕法向力方向上的轴线或围绕垂直于法向力方向与驱动方向两者的轴线的另外两种旋转可能性或多或少根本不受限制，至少对于小幅旋转是如此。
图2示意性地展示了这种情形。此处，去除了机电致动器之一，以便提高可读性。在此实施例中，接触24是线接触。在每一侧存在机电致动器20禁止了平移体10在Z方向上平移。换句话说，不允许TZ上的线性运动。由于线型的接触24，也禁止或至少相当大程度上阻碍了围绕X轴线RX的任何旋转。TX方向上的平移是所要求的平移，并且当然不会受到阻碍。
然而，双致动器设计因而没有提供任何有效的手段来减轻TY方向上的不希望的平移，并且没有阻碍平移体10围绕RZ轴线或RY轴线的旋转。
换句话说，驱动杆或平移体的每一侧具有一个接触点的双解马达需要线性平移体的某种导引才能移动。这一要求需要典型地使马达设计更加复杂且昂贵的额外部件，而且也需要额外的空间。
导引的需要典型地由使用马达的应用的要求确定。在某些情况下，可以允许一些平移和/或旋转，而其他平移和/或旋转必须小心控制。
在可调谐滤波器的特定情况下，需要在腔体内移入和移出电介质。典型地，要控制的最重要的参数是电介质移动的距离。然而，电介质的确切形状典型地不太重要。例如，电介质可以被设计为圆柱体，在圆孔中移入和移出。优选地，圆柱体的直径在间隙裕度内等于圆孔的直径。圆柱体在孔内的精确旋转则变得微不足道。通过使用电介质与腔体的外壳之间的这种几何关系，可以提供导引动作。此外，这种导引是通过已存在于该布置中的零件来实现的，这意味着不必提供另外的导引装置。通过圆柱体与圆孔之间的相互作用而有效地禁止了在垂直于驱动方向的方向上的平移。同样，也限制了圆柱体围绕不同于圆柱体的对称轴线的方向上的轴线的旋转。仅允许平行于圆柱体轴线的运动以及围绕圆柱体轴线的旋转。
圆柱体和圆孔可以容易地制造并且容易地包含在许多应用中，并且已发现，使用圆柱体和圆孔的组合作为与双致动器机电马达相关的导引布置的基本原理在许多不同的应用中是有利的。这种马达途径原则上可以用于例如可以允许围绕驱动轴线的小幅旋转的所有应用中。
图3A展示了机电马达1的实施例。机电马达1包括具有两个机电致动器20的定子2。机电致动器20中的每一个具有机电活性材料26和用于向机电活性材料26提供激励信号的装置35。机电马达1进一步包括平移体10。平移体10布置在机电致动器20的驱动部分22之间并且与其驱动接触。定子2具有弹簧元件30，该弹簧元件被布置成通过法向力使机电致动器20的驱动部分22保持抵靠平移体10的相应表面12、14。
当被激励信号激励时，机电致动器20被布置成提供振动。这种振动对平移体10的表面12、14引起驱动动作。因而，这种驱动动作的提供对于本领域的技术人员来说是众所周知的，如上面进一步提到的。驱动动作指向垂直于所述法向力的方向的驱动方向，即，图中所展示的X方向。
机电马达1进一步包括具有圆孔52的导引装置50。圆孔52具有平行于驱动方向X的圆对称轴线54。平移体10具有圆柱形的导引部分16。导引部分16至少部分地布置在导引装置50的圆孔52中。
图3B展示了机电马达的截面图的一部分。
换句话说，两个接触点(驱动部分)从两个相反侧作用在移动物体(平移体)上的机电马达将不能够控制平移体的位置，除非平移体在一些部分被导引。在具有圆孔的腔体中移动的圆柱形可以与这两个驱动部分一起充当所需的导引。
优选地，导引部分16的直径在间隙裕度内等于圆孔52的直径。根据ISO标准，间隙裕度是滑动配合或滑移配合的普通间隙裕度。
当将圆柱体插入到孔中时，总有运动因微小的未对准而卡阻的风险。为了减轻这样的问题，在优选实施例中，与圆孔52的长度相比，圆孔52的半径应保持较小。优选地，圆孔52的长度与直径之间的比率大于圆孔52与导引装置50之间的摩擦系数，更优选大于摩擦系数的两倍，并且最优选大于摩擦系数的三倍。
在优选实施例中，当机电活性材料被激励时，振动是在法向力的方向上具有行程的弯曲振动。
优选地，机电致动器20中的每一个的驱动部分22与平移体10之间的驱动接触是点接触或线性接触。最优选地，机电致动器20中的每一个的驱动部分22与平移体10之间的驱动接触是线性接触。
如上所提到的，存在许多不同种类的机电致动器可以用于本目的。例如将在公开的国际专利申请WO 2005/031888 A1和WO 2007/051689 A1中找到一些非排他性的示例。然而，使用其他类型的机电致动器也是可能的。
在一个实施例中，可以使用链接式机电马达。图4展示了机电致动器20的实施例。机电致动器20包括两个振动主体25，这些振动主体沿着驱动方向X由链接构件21连接。振动主体25中的每一个包括相应机电元件26，该机电元件包括机电活性材料。振动主体25被配置成与链接构件21一起执行弯曲振动。链接构件21具有接触部分22，该接触部分旨在用于与平移体的表面的点接触或线接触24。两个振动主体25和链接构件21一起构成振动组件。
优选地，机电致动器20包括金属片60，该金属片构成链接构件21的至少一部分。金属片60还构成振动主体25的机电活性材料的支撑件。在此特定实施例中，金属片60在相应振动主体25与链接构件21之间的每个接触处呈现弱化凹口23。这允许链接构件有更多独立的运动模式。
在另外的实施例中，金属片60也可以在机电马达中用于其他目的。图5展示了机电马达的定子2的实施例。在此实施例中，金属片60既用作支撑结构，也用作弹簧解决方案的一部分。从顶部设置一个机电致动器20，并且从底部设置一个机电致动器20。因此，旨在穿过所展示的结构的内部设置平移体。机电致动器20的驱动部分因此指向内部，并且在图示中不容易看到。机电元件26因此设置在结构的外部。在此实施例中，金属片60不仅用作机电致动器20的一部分，而且还用作机电致动器20的定子支撑件42。定子支撑件42还可以进一步用作连接器40，用于将定子2连接到例如导引装置或使用它的应用的任何其他机械部分。金属片可以容易地以某种方式弯曲，使得安装孔可以相对于其旨在安装到的任何表面放置在适当位置。
换句话说，振动主体25中的每一个被机械附接到定子支撑件42。此定子支撑件42至少间接地机械附接到导引装置(例如，经由连接器40)。在此特定实施例中，金属片60构成定子支撑件42的至少一部分。定子支撑件42因此经由至少一个连接器40直接地机械附接到导引装置。
在此实施例中，金属片60也用作弹簧元件30。金属片60因此被切割成曲折的形状以增加弹性特性。换句话说，金属片60进一步构成弹簧元件30的至少一部分。
在替代性实施例中，用于将定子连接到例如导引装置的连接器可以设置在其他位置。一种可能性是例如将弹簧元件设置成两个部分，并且将连接器附接在这些弹簧元件部分与导引装置或使用它的应用的任何其他机械部分之间。在这种设计中，机电致动器被允许振动而不受连接器的直接限制，因为弹簧元件的一部分设置在它们之间。换句话说，定子支撑件42经由附接在弹簧元件的两个部分之间的至少一个连接器40间接地机械附接到导引装置。
如上面进一步提到的，本发明的构思是考虑到可调谐滤波器的应用而开发的。图6展示了这种应用的实施例。可调谐射频滤波器100包括封装了谐振腔103的谐振器块105。可调谐高频滤波器100具有由谐振器块连接的信号输入端101和信号输出端102。电介质体积104被布置成可移动到谐振腔103中。根据上文呈现的原理的机电马达1通过其定子机械附接到谐振器块105。机电马达1的导引装置50构成谐振器块105的一部分。电介质体积104是机电马达1的平移体的导引部分16的一部分或附接到该导引部分。
上述实施例应被理解为本发明的一些说明性示例。本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对实施例进行各种修改、组合和改变。具体地，在技术上可能的情况下，可以将不同实施例中的不同部分解决方案在其他配置中组合。然而，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (14)

1.一种机电马达(1)，包括：
定子(2)，该定子具有两个机电致动器(20)；
所述机电致动器(20)中的每一个具有机电活性材料(26)和用于向所述机电活性材料(26)提供激励信号的装置(35)；
平移体(10)，该平移体布置在所述机电致动器(20)的驱动部分(22)之间并且与其驱动接触(24)；
所述定子(2)具有弹簧元件(30)，该弹簧元件被布置成通过法向力(N)使所述机电致动器(20)的所述驱动部分(22)保持抵靠所述平移体(10)的相应表面(12，14)；
其中所述机电致动器(20)被布置成提供振动，该振动对所述平移体(10)的所述表面(12，14)引起驱动动作；
其中所述驱动动作指向垂直于所述法向力(N)的所述方向的驱动方向(X)，
其特征为
导引装置(50)，该导引装置具有圆孔(52)；
所述圆孔(52)具有平行于所述驱动方向(X)的圆对称轴线(54)；
其中所述平移体(10)具有圆柱形的导引部分(16)；并且
其中所述导引部分(16)至少部分地布置在所述导引装置(50)的所述圆孔(52)中。
2.根据权利要求1所述的机电马达，其特征在于，所述导引部分(16)的直径在间隙裕度内等于所述圆孔(52)的直径。
3.根据权利要求1或2所述的机电马达，其特征在于，所述圆孔(52)的长度与直径之间的比率大于该圆孔(52)与该导引装置(50)之间的摩擦系数，优选大于所述摩擦系数的两倍，并且最优选大于所述摩擦系数的三倍。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的机电马达，其特征在于，当所述机电活性材料(26)被激励时，所述振动是在所述法向力(N)的方向上具有行程的弯曲振动。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的机电马达，其特征在于，
每个所述机电致动器(20)包括两个振动主体(25)，这些振动主体沿着所述驱动方向(X)由链接构件(21)连接；
所述振动主体(25)中的每一个包括相应机电元件，该机电元件包括所述机电活性材料(26)；
所述振动主体(25)被配置成与所述链接构件(21)一起执行所述弯曲振动；
所述链接构件(21)具有接触部分(22)，该接触部分旨在用于与所述平移体(10)的所述表面(12，14)的所述点接触或线接触(24)；
其中所述两个振动主体(25)和所述链接构件(21)一起构成振动组件。
6.根据权利要求5所述的机电马达，其特征为金属片(60)，该金属片构成所述链接构件(21)的至少一部分、并且构成所述振动主体(25)的所述机电活性材料(26)的支撑件。
7.根据权利要求5或6所述的机电马达，其特征在于，
所述振动主体(25)中的每一个被机械附接到定子支撑件(42)；
所述定子支撑件(42)至少间接地机械附接到所述导引装置(50)。
8.根据从属于权利要求6时的权利要求7所述的机电马达，其特征在于，所述金属片(60)进一步构成所述定子支撑件(42)的至少一部分。
9.根据权利要求8所述的机电马达，其特征在于，所述金属片(60)进一步构成所述弹簧元件(30)的至少一部分。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的机电马达，其特征在于，所述定子支撑件(42)通过至少一个连接器(40)直接地机械附接到所述导引装置(50)。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的机电马达，其特征在于，所述定子支撑件(42)经由附接在弹簧元件(30)的两个部分之间的至少一个连接器(40)间接地机械附接到该导引装置(50)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的机电马达，其特征在于，所述机电致动器(20)中的每一个的所述驱动部分(22)与所述平移体(10)之间的所述驱动接触(24)是点接触或线接触。
13.根据权利要求12所述的机电马达，其特征在于，所述机电致动器(20)中的每一个的所述驱动部分(22)与所述平移体(10)之间的所述驱动接触(24)是线接触。
14.一种可调谐射频滤波器(100)，包括：
谐振器块(105)，该谐振器块封装了谐振腔(103)；
信号输入端(101)和信号输出端(102)，该信号输入端和该信号输出端由所述谐振器块(105)连接；
电介质体积(104)，该电介质体积被布置成能够移动到所述谐振腔(103)中；以及
根据权利要求1至13中任一项所述的机电马达(1)；
其中所述机电马达(1)的所述定子(2)被机械附接到所述谐振器块(105)；
其中所述机电马达(1)的所述导引装置(50)构成所述谐振器块(105)的一部分；并且
其中所述电介质体积(104)是所述机电马达(1)的所述平移体(10)的所述导引部分(16)的至少一部分或附接到所述导引部分。
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