CN1183610C - 用于至少两个转动件并包括至少一个压电驱动件的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于至少两个转动件的驱动装置，它包括至少一个压电驱动件。本发明的目的在于提供更高效率和使转动件位置更灵活的驱动装置。本发明的特征在于，该压电驱动件包括压电谐振器和至少两个摩擦件，摩擦件设在该压电谐振器上并且互相对置，带该摩擦件的压电谐振器设在两个转动件之间并且通过预加载力而受到限制，该摩擦件分别作用在其中之一的转动件上，和设置激发压电谐振器的振动模式的电气装置。

Description

用于至少两个转动件并包括至少一个压电 驱动件的驱动装置
技术领域
本发明涉及一种用于至少两个转动件的驱动装置，该装置包括至少一个压电驱动件。
背景技术
这种装置例如可以从德国专利DE 3500 607 C2中获知。该已知的驱动装置包括一个压电厚度谐振器，通过一个扭转偶合器可以使该谐振器的厚度振动转换成一个扭转谐振器的扭转振动。
这种构型由于该有效的压电体积显著地小于该待激发的扭转谐振器的体积而具有较低的效率。在该已知的驱动装置中，各个转动件之间的轴向距离取决于该扭转谐振器的尺寸。转动方向的变更只有当电动机组相对于轴线移位的情况下才有可能。
发明内容
本发明的目的在于提供另一种在本文开头一段中所限定的类型的驱动装置，该驱动装置具有较高的效率并且可使转动件的位置更加灵活。
根据本发明，上述目的可以以下述方式达到，即，提供一种用于至少两个转动件的驱动装置，该装置包括至少一个压电驱动件，其特征在于，该压电驱动件包括一个压电谐振器和至少两个摩擦件，该摩擦件设置在该压电谐振器上并且互相对置地配置，带有该摩擦件的该压电谐振器设置在该两个转动件之间并且通过一个预加载力而受到限制，该摩擦件中的每个摩擦件作用在该其中之一的转动件上，以及设置激发该压电谐振器的振动模式的电气装置。
借助于该电气装置可以使压电谐振器和固定在该压电谐振器上的摩擦件一起产生振动。振动的摩擦件周期地作用在该转动件中的一个转动件上，从而在转动件与摩擦件之间产生摩擦力。该摩擦力使转动件产生转动。该预加载力保证了摩擦件与转动件的可靠的接合。
在该驱动装置中，压电谐振器通过摩擦件直接作用在转动件上。一台附加的谐振器就不再需要了。因而压电驱动件所需要的体积与在DE 3500 607 C2的构型中相比显著地减少。所能达到的效率也显著地提高并且为10％的数量级。压电谐振器最好具有矩形的外形。这样做的结果是，压电谐振器可以方便地适应于在转动件之间的不同的轴向距离。这种驱动装置在设计时具有更大的自由度。通过改变所使用的压电驱动件的数目，几乎可以任意地增加或减少转动件的数目。
转动件可以理解为指的是可转动的零件，例如驱动轴或驱动轮。
在本发明的一个较佳的实施例中，该压电谐振器是一个单模谐振器。该单模谐振器可以是一个延伸式谐振器或者是一个弯曲式谐振器。如果该单模谐振器采取延伸式谐振器的形式并且置于两个转动件之间，该延伸式谐振器的振动轴线最好相对于在该两个转动件之间的连接线形成一个少量倾斜的取向，以保证转动件的稳定的转动。于是该两个转动件以相同的方向转动。
另一个办法是，该单模谐振器可以是一个弯曲式谐振器。为了保证该两个转动件的稳定的转动，该弯曲式谐振器被配置成平行于在该两个转动件之间的连接线并具有少量的偏置。于是该两个转动件由该弯曲式谐振器的对置的摩擦件沿着相反的方向驱动。
在本发明的一个较佳实施例中，该压电谐振器是一个双模谐振器。该双模谐振器的各个位置可以完成二维的圆形或椭圆形的转动。通过使用电气激发装置来改变激发就能够改变转动的方向。这样通过该双模谐振器就可以以一种简单的方式使该两个转动件的转动方向反向。该双模谐振器最好配置成在该两个转动件之间精确地对称，该双模谐振器的延伸模的轴线基本上与该两个转动件之间的连接线相重合。该双模谐波器的摩擦件还可以进行椭圆或圆运动，于是每个摩擦件在转动件上作用一个单向的摩擦力。其结果是，该两个转动件以相同的转动方向转动。
根据本发明一种实施例，该驱动装置最好以这样一种方式设计，使得该两个摩擦件能够完成椭圆运动。椭圆运动能够使在摩擦件与转动件之间获得一个特别令人满意的摩擦力。而当该椭圆的对称的纵向轴线相对于在两个摩擦件之间的连接线处于倾斜状态时，情况尤其是这样。摩擦件运动的主方向可以通过对称的纵向轴线进行调整。这样就可以实现本发明的一种较佳的实施例。在本发明的该实施例中，该摩擦件运动的主方向，即具有该椭圆的对称的纵向轴线的方向的运动的方向，基本上与相关的转动件和相关的摩擦件的材料的摩擦角相对应。因而，就可以在摩擦件与转动件之间达到静摩擦，从而获得该驱动装置的最佳效率。通过如本发明的一种较佳实施例，可以获得静摩擦的最大力。在本发明中，一种具有28.8°的摩擦角的特别适当的材料是氧化铝。
本发明的一种较佳实施例可以在结构十分简单和成本很低的情况下实现。借助于从压电板上伸出的驱动件，该摩擦件的振动的振幅就可以达到。在该第一表面的所有四个电极中的极化方向都是相同的。最好是，该双模谐振器的正交振动的共振频率互相之间是如此接近，从而通过一个外加的电工作频率就能够产生具有满意的振幅和所要求的相位关系的两个正交振动。在本发明的较佳实施例中，只有四个电极中的两个电极加上共用地线必须与一个电子控制电路相连接。这样做的结果是，该整个电子控制电路只需要较少的元件。
本发明的较佳实施例特别适合在电动剃刀中使用。该驱动装置具有的优点是，该三个压电驱动件及其驱动力相对于该三个转动件是对称地配置的。因而该三个转动件的转矩也是相同的。
本发明驱动装置具有的另外的优点是，只通过两个压电驱动件就可以驱动该三个转动件。因此，节约了一个压电驱动件。与两个压电驱动件都连接的该转动件比其他两个转动件具有更大的转矩。但是，这种情况对于在电动剃刀中使用来说并不是一个缺点，因为在该使用中三个转动件只应当具有相同的转数。在本发明的驱动装置中，这种情况就得到了保证。在本发明的驱动装置中，三个转动件中的一个转动件最好安装在一个固定轴承中，而其余的两个转动件则分别安装在一个浮动轴承中。固定轴承可以理解成是指固定在该驱动装置的壳体上以使它不能运动的轴承。相反地，浮动轴承则是配置在该驱动装置的壳体中并使它可以(例如在一个槽中)运动的轴承。这样就使限制浮动轴承相对于压电驱动件运动成为可能，例如可以通过配置在壳体与浮动轴承之间的弹簧，该弹簧的弹簧力通过浮动轴承传递到相关的压电驱动件上。
在本发明中，在一个包括两个转动件的构型中的轴承构造可以以类似的方式实现。即，一个转动件安装在一个固定轴承中以及该另一个转动件安装在一个浮动轴承中，该浮动轴承对该压电驱动件通过一个预加载力进行预加载。
附图说明
下面将参照附图1至7，通过实例来更详细地介绍本发明的几个实施例，附图中：
图1示意地表示一个用于两个驱动轴的驱动装置，一个双模压电谐振器在预加载力的作用下被夹持在该两个驱动轴之间；
图2是示于图1中的压电谐振器的侧视图；
图3用简图示出了一个用于两个驱动轴的驱动装置，一个延伸式单模压电谐振器设置在该两个驱动轴之间；
图4示出了一个用于两个驱动轴的驱动装置，一个弯曲型单模压电谐振器在预加载力的作用下被夹持在该两个驱动轴之间；
图5示出了一个用于三个驱动轴的驱动装置，两个压电谐振器中的每个谐振器在预加载力的作用下被夹持在该三个驱动轴中的两个驱动轴之间；
图6示出了一个用于三个驱动轴的驱动装置，三个压电谐振器中的每个谐振器在预加载力的作用下被设置在该三个驱动轴中的两个驱动轴之间；
图7示出了一把电动剃刀，该剃刀包括配置成一个三角形构型的三个刀具，每个刀具由一个驱动轴驱动，并且为该三个驱动轴设置了一个如图5或图6中所示的驱动装置。
具体实施方式
图1示出了一种用于两个转动件的驱动装置。该第一转动件即是第一驱动轴1，该第二转动件即是第二驱动轴2。第一驱动轴1和第二驱动轴2互相之间间隔一定距离。一个压电驱动件3设置在第一驱动轴1与第二驱动轴2之间。压电驱动件3包括一个具有第一侧面4a、第二侧面4b、第三侧面4c和第四侧面4d的矩形的双模压电谐振器4。该压电谐振器具有第一电极5a、第二电极5b、第三电极5c和第四电极5d。四个电极5a、5b、5c和5d可以通过例如丝网印刷法设置在压电谐振器4的第一主表面6上。第一电极5a和第四电极5d可以借助于第一焊线7互相电连接，第二电极5b和第三电极5c可以借助于第二焊线8互相电连接。第一电极5a和第二电极5b与电控制装置9相连接，该装置可以产生用来在压电谐振器中引起振动的电信号。第一驱动件10与第三侧面4c例如可以通过粘结结合在中央相电连接。第二驱动件11与第四侧面4d例如可以通过粘结结合在中央相电连接。第一驱动件10和第二驱动件11最好用氧化铝制成。
图2示出了压电谐振器4的侧视图。该压电谐振器4包括一个具有第一主表面6和第二主表面13的压电体12。第二主表面13上整个由地线5e所覆盖。该地线5e以一种未示出的方式也连接在控制装置9上。在第一主表面6上的四个电极5a、5b、5c和5d中，压电体12的极化方向是相同的。在图2中用两个箭头14来表示该极化方向。
如图1中所示，具有第一驱动件10和第二驱动件11连接于其上的压电谐振器4在预加载力F的作用下被夹持在第一驱动轴1与第二驱动轴2之间。由于预加载力F作用的结果，使第一驱动件10压紧在第一驱动轴1上和使第二驱动件11压紧在第二驱动轴2上。该第一驱动轴1和第二驱动轴2都镀有一层氧化铝。通过控制装置9把电信号作用于第一电极5a和地线5e，就可以使压电谐振器4产生一个双模振动。该预加载力F、压电谐振器4的外形尺寸以及在第一驱动件10与第一驱动轴1之间和在第二驱动件11与第二驱动轴2之间的摩擦系数的大小应以这样一种方式来确定，使得压电谐振器4、第一驱动件10和第二驱动件11能够完成一个椭圆形的转动。然后第一驱动件10和第二驱动件11就分别在第一驱动轴1和第二驱动轴2上作用摩擦力，从而使第一驱动轴1和第二驱动轴2转动。由于第一驱动件10和第二驱动件11的椭圆形的转动的转动方向是相同的，因此第一驱动轴1和第二驱动轴2就由该振动压电谐振器4以相同的转动方向驱动。在图1中示出了第一转动方向15。
通过从第一控制装置9向第二电极5b和地线5e提供控制信号，压电谐振器4还可以产生一个其方向与在图1中显示的振动模式相反的椭圆形振动模式。因此，示于图1的该构型还可以使驱动轴以与第一转动方向15相反的方向转动。因而，只要改变从控制装置9产生的该控制信号，就可以实现第一驱动轴1和第二驱动轴2的转动方向的反向。
氧化铝的摩擦角为28.8°。因此，预载力F和压电谐振器4的外形尺寸的大小应以这样一种方式来确定，使得在该椭圆形转动期间，第一驱动件10和第二驱动件11分别地基本上以28.8°的角度与第一驱动轴1和第二驱动轴2相接触。因而第一驱动件10和第二驱动件11的接触角基本上与该摩擦角相一致。在最佳控制电压的情况下，静摩擦将发生在第一驱动件10与第一驱动轴1和第二驱动件11与第二驱动轴2之间，从而导致产生一个最佳速度。这种情况可以保证该驱动装置具有良好的效率。
第一驱动轴1和第二驱动轴2的转矩和速度可以通过由第一控制装置9所提供的电压的振幅和通过预加载力F来进行改变或者调整。
压电谐振器4的电驱动的精确的结构和各种可能性在欧洲专利EP633 616 A2中均有说明，其内容通过引用结合在本申请中。其中提到，压电谐振器的外形尺寸应以这样方式选定，使得该压电谐振器的两个谐振频率是如此相互接近以致当激发一个谐振频率时，另一个谐振频率也同样被激发。
图3示出了一个包括第一驱动轴20和第二驱动轴21的驱动装置。一个单模压电谐振器22设置在第一驱动轴20与第二驱动轴21之间。该压电谐振器22为矩形产且在其顶面上有一个第一电极23和在其后面上有一个地线(未示出)。第一延伸式电极23具有一个可以激发延伸振动的形状。该压电谐振器22制造成一个延伸式谐振器。该压电谐振器22在其端面24a上有一个第一驱动件25并且在其对置的端面24b上有一个第二驱动件26。第一驱动件25和第二驱动件26通过粘结结合被固定在压电谐振器22上。该压电谐振器22通过一个电控制装置(未示出)而致动，以便在用双箭头表示的方向上产生延伸振动。该压电谐振器22的对称的纵向轴线28相对于连接第一驱动轴20和第二驱动轴21的中心20a和21a的连接线29倾斜一个角度α。装有第一驱动件25和第二驱动件26的压电谐振器22通过一个预加载力F被夹持在第一驱动轴20与第二驱动轴21之间。在该振动模式下，第一驱动件25和第二驱动件26沿着由双箭头27所表示的方向对第一驱动轴20和第二驱动轴21作用很小的推动力就可以以相同的转动方向30驱动该两轴。
图4示出了一个包括第一驱动轴31和第二驱动轴32的驱动装置。该第一轴31具有中心31a以及该第二轴具有中心32a。一个矩形的压电谐振器33设置在第一驱动轴31与第二驱动轴32之间。压电谐振器33在其顶面上有一个第一电极35并且在其下表面上有一个地线(未示出)。第一电极35具有一个可以激发弯曲振动的形状。压电谐振器可以通过一个电控制装置(未示出)而致动，以便在用双箭头表示的方向上产生弯曲振动。压电谐振器33在其端面33a上有一个第一驱动件37以及在其端面33b上有一个第二驱动件38。压电谐振器33的对称的纵向轴线39相对于在第一驱动轴31的中心31a与第二驱动轴32的中心32a之间的连接线40平行地偏置。
在该振动模式下，与第一驱动件37和第二驱动件38在一起的压电谐振器33沿着用双箭头35表示的方向振动，其结果使第一驱动件37对第一驱动轴31作用很小的推动力以及使第二驱动件38对第二驱动轴32作用很小的推动力。这种情况将使第一驱动轴31沿着第一转动方向41转动并且使第二驱动轴32沿着相反的转动方向42转动。
一个预加载力F沿着由箭头43所表示的方向推动压电谐振器33靠紧在第一驱动轴31和第二驱动轴32上。
图5示出了一个包括配置成三角形构型的第一驱动轴45、第二驱动轴46和第三驱动轴47的驱动装置。第一压电谐振器48设置在第一驱动轴45与第三驱动轴47之间，以及第二压电谐振器49设置在第二驱动轴46与第三驱动轴47之间。第一压电谐振器48和第二压电谐振器49都是一种如同参照图1所说明的结构那样的双模压电谐振器。第一驱动轴45安装在第一浮动轴承50中，第二驱动轴46安装在第二浮动轴承51中以及第三驱动轴47安装在固定轴承52中。第一浮动轴承50可以在槽53中移动并且通过一个弹簧54将它推向第一压电谐振器48。该槽53在该驱动装置的一个壳体(未示出)中形成。第二浮动轴承51可以在槽55中移动并且通过一个弹簧56将它推向第二压电谐振器49。固定轴承52被牢固地固定在该壳体(未示出)上。第一压电谐振器48包括一个与第一驱动轴45相啮合的第一驱动件48a以及一个与第三驱动轴47相啮合的第二驱动件48b。第二压电谐振器49包括一个与第二驱动轴46相啮合的第一驱动件49a以及一个与第三驱动轴47相啮合的第二驱动件49b。
因此，第一驱动轴45通过弹簧54的弹簧力而被弹性地压紧在第一压电谐振器48上，其结果使第一压电谐振器48被弹性地夹持在第一驱动轴45与第三驱动轴47之间。同样，第二压电谐振器49通过弹簧56被弹性地夹持在第二驱动轴46与第三驱动轴47之间。
第一压电谐振器48和第二压电谐振器49可以由一个控制装置(未示出)激发以产生椭圆形振动，其结果使驱动件48a、48b、49a和49b在第一驱动轴45、第二驱动轴46和第三驱动轴47上作用一个摩擦力。三个驱动轴45、46和47的转动方向相同并且可以通过参照图1所说明的该控制装置(图5中未示出)而反向。
三个驱动轴45、46和47的转速基本上相等。由于第三驱动轴47与第一压电谐振器48和第二压电谐振器49都互相接合，因此第三驱动轴47的有效转矩大于第一驱动轴45和第二驱动轴46的有效转矩。
图6示出了一个驱动装置，该装置包括配置成一个三角形构型的第一驱动轴60、第二驱动轴61和第三驱动轴62。第一驱动轴60安装在浮动轴承63中，第二驱动轴61安装在浮动轴承64中，以及第三驱动轴62安装在浮动轴承65中。第一压电谐振器66设置在第一驱动轴60与第二驱动轴61之间。第二压电谐振器67设置在第一驱动轴60与第三驱动轴62之间。第三压电谐振器68设置在第二驱动轴61与第三驱动轴62之间。第一压电谐振器66、第二压电谐振器67和第三压电谐振器68各自的结构与参照图1所说明的那种结构相同。浮动轴承63通过一个弹簧69而被压紧在一个壳体(未示出)上。浮动轴承64通过一个弹簧70而被压紧在一个壳体(未示出)上，以及浮动轴承65通过一个弹簧71而被压紧在一个壳体(未示出)上。因此，第一压电谐振器66被弹性地夹持在第一驱动轴60与第二驱动轴61之间，第二压电谐振器67被弹性地夹持在第一驱动轴60与第三驱动轴62之间，以及第三压电谐振器68被弹性地夹持在第二驱动轴61与第三驱动轴62之间。该三个压电谐振器66、67和68可以通过一个控制装置(未示出)来激发以产生椭圆形振动，从而可使第一驱动轴60、第二驱动轴61和第三驱动轴62都在同样的转动方向受到驱动。简单地通过该电控制装置就可以实现方向的变更。由于在图6中示出的该驱动装置是完全对称的构型，三个驱动轴60、61和62的有效转矩和转数都是相同的。
图7示出了一个具有第一剃须头73、第二剃须头74和第三剃须头75的电动剃刀72。该第一剃须头73、第二剃须头74和第三剃须头75都可以通过一个示于图5中的驱动装置或者一个示于图6中的驱动装置进行驱动。

Claims (15)

1.一种用于至少两个转动件的驱动装置，该装置包括至少一个压电驱动件，其特征在于，该压电驱动件包括一个压电谐振器和至少两个摩擦件，该摩擦件设置在该压电谐振器上并且互相对置地配置，带有该摩擦件的该压电谐振器设置在该两个转动件之间并且通过一个预加载力而受到限制，该摩擦件中的每个摩擦件作用在该其中之一的转动件上，以及设置激发该压电谐振器的振动模式的电气装置。
2.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，该压电谐振器是一个单模谐振器。
3.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，该压电谐振器是一个双模谐振器。
4.如权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，该压电驱动件包括一个具有第一主表面和第二主表面的坚固的压电板，该第一主表面装有四个电极以及该第二主表面装有一个电极，在该第一主表面的每个象限中设置有一个电极，以及该些摩擦件被制成从该压电板伸出的驱动件。
5.如权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，该压电谐振器的外形尺寸应以这样方式选定，使得该压电谐振器的两个谐振频率是如此相互接近以致当激发一个谐振频率时，另一个谐振频率也同样被激发。
6.如权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，该预加载力、该压电谐振器的外形尺寸以及在该摩擦件与该转动件之间的该摩擦系数的大小应以这样方式确定，使得该两个摩擦件能够完成基本上为椭圆形的转动，该椭圆的对称的纵向轴线相对于在该两个转动件之间的连接线是倾斜的。
7.如权利要求6所述的驱动装置，其特征在于，第一摩擦件与第一转动件的接触角和第二摩擦件与第二转动件的接触角基本对应于转动件和摩擦件的摩擦角。
8.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，该转动件和该摩擦件的材料应以这样一种方式选定，使得材料的摩擦角的范围在15°与35°之间。
9.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，该摩擦件和/或该转动件的摩擦件作用在其上的表面由氧化铝构成。
10.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，设置三个配置成三角形构型的转动件以及设置了三个压电驱动件，该压电驱动件分别配置在该三个转动件中的两个转动件之间并且受到一个预加载力的限制。
11.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，设置三个配置成三角形构型的转动件以及设置了两个压电驱动件，该压电驱动件分别配置在该三个转动件中的两个转动件之间并且受到一个预加载力的限制。
12.如权利要求11所述的驱动装置，其特征在于，该三个转动件中的一个转动件安装在一个固定轴承中，该其余的两个转动件则分别安装在一个浮动轴承中，该两个压电驱动件分别配置在安装于该固定轴承中的该转动件与安装于该浮动轴承中的其中之一的该转动件之间，以及该浮动轴承对该对应的压电驱动件通过一个预加载力进行预加载。
13.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述转动件有两个，其中一个转动件安装在一个固定轴承中而另一个转动件安装在一个浮动轴承中，该浮动轴承对该压电驱动件通过一个预加载力进行预加载。
14.如权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，该压电板的长宽比的范围在1.3与1.4之间。
15.一种电动剃刀，其包括用于至少两个转动件的驱动装置，该装置包括至少一个压电驱动件，其特征在于，该压电驱动件包括一个压电谐振器和至少两个摩擦件，该摩擦件设置在该压电谐振器上并且互相对置地配置，带有该摩擦件的该压电谐振器设置在该两个转动件之间并且通过一个预加载力而受到限制，该摩擦件中的每个摩擦件作用在该其中之一的转动件上，以及设置激发该压电谐振器的振动模式的电气装置。
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