CN1606224A - 电机 - Google Patents

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Abstract

一种压电电机具有一驱动着一滑块(24)的致动器(26)。致动器具有一带有方形截面的矩形钢芯，其带有一沿轴向凸出的驱动尖端(28)。一陶瓷压电元件(40)结合于芯的四个面中的每一个上。每个压电元件具有四个象限，其在一侧由象限电极(40a－40d)覆盖而在与芯接触的另一侧由一公共电极或接地电极覆盖，芯电连接着公共电极。通过选择激励相对压电元件的相应对角相对的象限，就使得致动器沿X方向或者Y方向驱动尖端。优选的滑块为一球，其被保留于从致动器的壳体上延伸的臂之内。驱动尖端被一作用于致动器上的预载弹簧(34)压在球上。致动器的操作引起球(24)绕着X轴和Y轴旋转，以便由单个电机和单个致动器产生两维运动。

Description

电机
技术领域
本发明涉及一种电机，尤其涉及一种使用压电陶瓷的电机。
背景技术
使用压电陶瓷来产生线性或旋转运动的压电电机为众所周知。对于磁体电机而言，这些陶瓷电机只沿一维产生沿一直线来回的运动，即线性运动，以及产生绕着单根轴线或直线顺时针或者逆时针的旋转运动。因此，限于一维。
然而，经常需要沿多于一维的方向移动物体，不只是来回运动或者顺时针和逆时针转动。过去，这需要电机和齿轮的复杂配置。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够沿两维，即沿x-y方向移动一物体或绕着两根分离的轴线旋转的压电电机。
根据第一方面，本发明提供的一种压电电机包括：一转子、一致动器、用于将致动器保持与转子接触的保持装置，其中致动器适于使转子绕着两根正交的轴线运动。
优选地，致动器具有一由硬弹性材料制成的芯，芯为细长型，带有一方形截面，并且具有四个面和第一及第二轴向端，致动器包括至少两个结合于邻近面上的压电元件和一从芯的第一轴向端延伸并且与转子接合的驱动器。
优选地，致动器具有四个压电元件，每个结合于芯的相应面上。
优选地，每个压电元件具有两个沿芯的轴向排列的可激励区域并且元件被设置成按照正相对的对进行激励并且激励正相对的元件的相对区域，受激励的元件对决定着转子将绕着哪根轴线发生运动，并且受激励的区域决定着转子将沿绕着选定轴线的哪个方向发生运动。
另外，每个元件可具有四个象限可激励区域，其中相对的象限电连接起来以便同时激励。这里，对致动器的激励通过激励一对正相对的元件的一对对齐的象限区域而引起，元件对的选择决定着转子运动的轴线，并且所选的象限区域决定着转子绕着该轴线的运动方向。
优选地，转子为一球。
优选地，保持装置包括一容纳着致动器的壳体和多个从壳体延伸并且适于抓住球同时使球能够绕着两根正交轴线旋转的臂。
优选地，有四个臂从外壳延伸出，每个臂支承着一转子触点，其中每个转子触点在位于一与驱动器与球接触的半球相对的半球内的相隔开位置与球相接触。
另外，还可以有两个沿正交轴线之一可旋转地支承着一环托架的臂，并且环托架绕着另一正交轴线可旋转地支承着球。这里，球可具有一轴颈连接于环托架的轴承中的固定轴。同样，环托架可由两根轴颈连接于环托架的轴承中并且固定于支承臂上的短轴可旋转地支承，并且短轴可通过弹性自对准轴承固定于臂上。
优选地，保持装置还包括一用于弹性地推动致动器和转子形成接触的弹簧。还可以提供一用于调节弹簧张力的机构。
附图说明
现在将参照附图只是举例来对优选实施例进行描述，其中：
图1示出了一种根据本发明的优选实施例的电机的概念实例；
图2为图1的电机的局部剖视图；
图3为一致动器的透视图，为图1的电机的一部分；
图4为一压电陶瓷元件的前视图，其形成了图3的致动器的一部分；
图5为图4的压电陶瓷元件的后视图；
图6为正在受到激励的压电元件的示意图；
图7示出了处于受激励状态的图3的致动器；
图8以局部剖视图示出了根据本发明的电机的第二优选实施例；
图9、10、11示出了类似于图3的致动器的改进型致动器；
图12示出了图3的致动器的一个替代方案；
图13和14为图12的致动器的示意图，示出了一种操作模式；以及
图15为图12的致动器在受激励状态下的透视图。
具体实施方式
图1概念示出了一种根据本发明的一个优选实施例设计的电机10。图2为图1的电机10的局部剖视图。图1的电机10具有一个看上去象矩形棱柱的壳体12。
四个L形支承件14从邻近壳体12的上端处象高出的臂一样延伸。每个支承件具有一带狭槽的末端16。一圆盘或滚子18由销22保持于每个狭槽20中。销22向内偏移以便使得滚子18能够延伸进入位于支承件14之间的空间中，而不会延伸出支承件外侧。
一球24位于由各个支承件所限定的区域内。球24、支承件14和滚子18的尺寸使得球由滚子18保留于支承件之内，滚子18在其中线上方与球24接触，即，滚子在上半球内在相隔开的位置处与球接触，如图1中所示。球24为电机的转子或滑块。
如图2中所示，一致动器26位于壳体12之内。致动器26具有一驱动器或尖端28，其延伸穿过一位于壳体12顶部中的开口30并且与球24相接触。除了尖端28之外，致动器26与一具有方形截面的矩形棱柱相似。其构造将在后文中描述。致动器由橡胶块32保持于壳体12之内，在这个设置结构中，由总共八个橡胶块，每侧两个保持。橡胶块32在当致动器受到激励时致动器26的侧向运动最小的节点或区域处与致动器26相接触。橡胶块32务必容许致动器进行垂直运动或振动。致动器的顶端未受支承。一弹簧34或类似装置位于壳体12与致动器26的下端之间以便向上推动致动器来压着尖端28与球24进入接触，并且因此使得球与滚子18形成接触。一预载调节器36可为一旋入壳体12的端部中的简单螺栓，其提供调节来增大或减小作用于致动器26上的初始预载，以便改变用于驱动球24的摩擦力。
在这个实例中，球24等价于一磁体电机中的转子，其中尖端28由致动器26驱动以便转动球。待运动的装置将被通过任何方便的方法来固定于球或转子上。如图所示，一孔25位于球的顶部中以便进行压配合连接。一个适当的应用是用于倾斜一盘状物体，例如交通工具的后视镜组件中的镜子，其中镜子或镜子保持器将被固定于球24上。通过利用一平薄板和用于保持薄板与致动器形成接触的适当支承件来代替球和支承件，就可以使用一平转子或滑块。
致动器26示于图3中。其包括一芯38，芯38呈一带有方形截面的矩形钢块的形式，其中单个尖端驱动器28从上端在中心延伸。尖端28可通过对块38进行机加工而形成。块38的四侧由四个压电陶瓷元件40覆盖。压电元件40被胶合或者通过其它方式结合于钢块38的侧表面上。
如图4中所示，每个元件40的前面被分成四个象限42、44、46和48，并且每个象限由一个象限电极所覆盖。
这里，一对对角相对的象限电极通过一短窄连接条52形成物理和电连接，另一电极对通过一跳线(未示出)连接在一起。
每个薄板的后面由一单个接地电极50所覆盖，如图5中所示。四个接地电极通过钢块38电连接在一起。
现在将参照图6和7对致动器的操作进行描述。当压电陶瓷材料受到正激励时，其伸展。当其受到负激励时，其收缩。通过激励一个元件的四个象限，就可以使得象限伸展。通过选择激励对角相对的象限，由于未激励邻近的象限，因而元件就会弯曲。通过沿同一方向弯曲相对的元件，致动器就弯曲和伸展。
在这个优选实施例中，对角相对的象限42、46利用一正弦波形式进行激励，以便引起如图6中所示的变形，其中电压为高值和正值并且当电压为低时返回常态(或者如虚线所示的放松状态)。当电压为高值和负值时，则受激励的象限就收缩，引起致动器的尖端从滑块上拉离并且引起致动器沿其它方向(向图中的右侧)弯曲。
当在谐振模式下工作时，致动器就运行得最佳。就是激励波形的频率引起致动器在其自然谐振频率或其基频下或者在其附近频率处振动或伸展时。这样产生的致动器的振动将在致动器的表面上提供侧向运动最小的节点或区域，橡胶安装块32可在这些地方弹性地保持并支承着致动器而不会阻止致动器垂直振动或运动。当输入信号频率与致动器的纵向振动和弯曲振动的基准谐振频率相匹配时，就可以得到最佳性能。在这个优选实施例中，一阶纵向谐振振动与二阶弯曲谐振振动相匹配。
在装配好的致动器26中，相对的元件40同时受到相似的激励，因此引起钢块38按照如图7中放大示出的方式弯曲和伸展。这里受到激励的是薄板40a和40c的象限44和46。如图中所示，伸展引起尖端28向上运动，而弯曲引起其向左运动。沿相反方向的运动，即向上和向右的运动将会通过激励薄板40a和40c上的另一对电极42和48来实现。
尖端28向上和进入纸面或者向上和离开纸面的运动通过激励薄板40b和40d的适当的对角相对象限对来实现。
因此，这种单个的致动器26具有一能够沿两个不同维(x和y)运动的驱动尖端28。当与一薄板或一平转子或滑块一起使用时，所产生的运动具有适度的x-y自由度。当与一球形转子或滑块(例如如图1中所示)一起使用时，转子可绕着两根分离的轴线，即X轴和Y轴旋转。
某些应用场合，例如镜子应用场合，要求的只有球形转子的有限运动。对于此类应用场合，转子可由一改进型万向接头型联接来保持，如图8中所示。在这个实施例中，壳体和致动器的使用方法与第一实施例相同并且工作原理也相同。
球24被保持于从壳体12延伸的两个L形支承件14之间。支承件14通过两个同轴的短轴62(图中只示出了一个)可旋转地支承着一环托架60。环托架60又通过两个同轴的轴64(图中只示出了一个)可旋转地支承着球体。两根轴64被压入或以其它方式固定于球24中并且从球沿相反方向延伸，并且位于环托架的滚珠轴承66中。这样，球24就能够自由地绕着两根轴64的轴线旋转。
环托架60具有另两个安装于短轴62上的滚珠轴承68(图中只示出了一个)，使得环托架60和球24能够绕着短轴的轴线旋转。这样，球24就可绕着两根轴线旋转，尽管绕着短轴62的轴线只能转过环托架60碰到壳体12之前的有限角度。这个实施例比第一实施例具有的优点在于在球与球支承件之间具有低得多的摩擦并且还将球的运动限制为绕着两根轴线旋转。
由于支承件14固定于壳体12上，因此如果两根短轴只是简单地压入支承臂中的孔中，则在两根短轴之间可能会存在轻微的未对准情况。为了容纳这种轻微未对准情况，这个实施例的短轴通过一由安装于支承件14中的轴承保持器72所保持的自对准轴衬70连接于支承件14上。自对准轴衬使得短轴能够保持对准，同时滚珠轴承68使得能够低摩擦旋转。另外，自对准轴衬和轴承保持器可以较低成本由一硬橡胶安装块来代替，该硬橡胶安装块将提供有限的自对准能力。轴64被认为没必要使用此类设置结构。
以上所述的实施例仅为举例说明，并且本发明所属领域的普通技术人员将会清楚各种改型，而不会背离在附属权利要求中所限定的本发明的范围。例如，致动器的驱动器尖端28可为圆锥形或尖形，如图9中所示。另外，驱动器尖端可包括四个从芯的角部或边缘延伸的分离的凸起，如图10和11中所示。
同样，如图12中所示，致动器也可利用被分成两个半部的压电陶瓷元件140来形成，其中每个半部在一侧(面)由一个电极141、142覆盖而在另一侧(背部)由公共电极覆盖。这种致动器的操作要求激励相对元件的相对电极，引起致动器沿垂直于受激励元件的平面的方向延伸和弯曲。这在图13和14中进行了示意性示出，其中元件140a的下半部和元件140c的上半部由正弦电压信号进行激励。当电压信号为正时，两个半部膨胀，朝着相对元件的未受激励部分延伸芯并弯曲芯。图15为致动器在受激励状态下的透视图，其类似于图14中示意性示出的状态，其中加于两个电极半部上的信号为高值和正值。如前所述，驱动信号为一AC电压信号，优选正弦电压信号，其中芯起地或公共连接的作用。驱动尖端，无论是单个或多个凸起，都被使得沿一圆形路径振动以便引起转子运动。圆形路径的形状可根据驱动频率和致动器在弯曲振动模式和纵向振动模式下的自然谐振频率而变化。

Claims (24)

1.一种压电电机，包括：
一转子(24)，
一致动器(26)，
用于将致动器保持与转子接触的保持装置，
其特征在于，
致动器(26)适于使转子(24)绕着两根正交的轴线运动。
2.根据权利要求1所述的电机，其中致动器(26)具有一由硬弹性材料制成的芯(38)，芯(38)为细长型，带有一方形截面，并且具有四个面和第一及第二轴向端，致动器(26)包括至少两个结合于邻近面上的压电元件(40、140)和从芯(38)的第一轴向端延伸并且与转子(24)接合的驱动器(28)。
3.根据权利要求2所述的电机，其中芯(38)是钢的。
4.根据权利要求2所述的电机，其中驱动器(28)为与芯(38)同轴延伸的单个凸起。
5.根据权利要求2所述的电机，其中驱动器(28)包括四个沿芯(38)的轴向延伸并且绕着芯的轴线等距相隔开的凸起。
6.根据权利要求2所述的电机，其中致动器(26)具有四个压电元件(40、140)，每个结合于芯的相应面上。
7.根据权利要求6所述的电机，其中每个压电元件(140)具有两个沿芯(38)的轴向排列的可激励区域(141、142)，并且元件(140)被设置成按照正相对的对进行激励并且激励正相对的元件的相对区域，受激励的元件对决定着转子(24)将绕着哪根轴线发生运动，并且受激励的区域决定着转子(24)将绕着选定轴线沿哪个方向发生运动。
8.根据权利要求6所述的电机，其中每个压电元件(40)具有四个象限可激励区域(42、44、46、48)，其中正相对的象限(42、48)(44、46)电连接起来以便同时激励。
9.根据权利要求8所述的电机，其中对致动器(26)的激励通过激励一对正相对的元件的一对对齐的象限区域而引起，元件(40)对的选择决定着转子运动的轴线，并且所选的象限区域决定着转子绕着该轴线的运动方向。
10.根据权利要求1所述的电机，其中转子(24)为一球。
11.根据权利要求10所述的电机，其中保持装置包括一容纳着致动器(26)的壳体(12)和多个从壳体(12)延伸并且适于抓住球(24)同时使球(24)能够绕着两根正交轴线旋转的臂(14)。
12.根据权利要求11所述的电机，其中有四个臂(14)从外壳(12)延伸出，每个臂(14)支承着一转子触点，其中每个转子触点在位于与驱动器(38)接触球(24)的半球相对的半球内的相隔开位置处与球(24)相接触。
13.根据权利要求12所述的电机，其中转子触点为轴颈连接于销(22)上并且位于臂(14)的末端(16)中形成的狭槽(20)中的滚子(18)。
14.根据权利要求11所述的电机，其中有两个沿正交轴线之一可旋转地支承着一环托架(60)的臂(14)，并且环托架(60)绕着另一正交轴线可旋转地支承着球(24)。
15.根据权利要求14所述的电机，其中球(24)具有一轴颈连接于环托架(60)的轴承(66)中的固定轴。
16.根据权利要求15所述的电机，其中固定轴包括两个固定于球(24)上并且沿着一公共直径沿相反方向从该球(24)同轴地延伸的分离的副轴(64)。
17.根据权利要求14所述的电机，其中环托架(60)由两根轴颈连接于环托架(60)的轴承(68)中并且固定于支承臂(14)上的短轴(62)可旋转地支承。
18.根据权利要求17所述的电机，其中短轴(62)通过相应的自对准安装件固定于臂(14)上。
19.根据权利要求18所述的电机，其中每个自对准安装件包括一烧结的自对准轴衬(70)和轴衬保持器(72)。
20.根据权利要求1所述的电机，其中保持装置包括一用于弹性地推动致动器(26)和转子(24)形成接触的弹簧(34)。
21.根据权利要求20所述的电机，其中保持装置还包括一用于调节弹簧(34)上的张力的机构(36)。
22.根据权利要求20所述的电机，其中弹簧(34)作用于致动器(26)的芯(38)上以便弹性地推动致动器(26)与转子(24)形成接触。
23.根据权利要求1所述的电机，其中保持装置包括一壳体(12)，并且致动器(26)通过弹性支承元件(32)保持于壳体(12)内。
24.根据权利要求23所述的电机，其中支承元件(32)为在表面节点区域处与致动器(26)接触的橡胶块。
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