專利名稱：壓電電機(jī)和用于驅(qū)動(dòng)該壓電電機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1的前序部分所述的壓電電機(jī)，本發(fā)明還涉及一種按權(quán)利要求20的前序部分所述的、用于驅(qū)動(dòng)該壓電電機(jī)的方法。
文獻(xiàn)EP 1098429A2公開了一種壓電電機(jī)，該壓電電機(jī)包括至少兩個(gè)偏移90度設(shè)置的、壓電的縱向執(zhí)行元件，該執(zhí)行元件經(jīng)由一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)的耦合元件作用到一個(gè)軸上并據(jù)此使該軸旋轉(zhuǎn)。為了控制各個(gè)縱向執(zhí)行元件，需要正弦形的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)須具有恒定的90度相位關(guān)系。
該壓電電機(jī)具有如下缺點(diǎn)，即存在多個(gè)相互諧調(diào)的振蕩體，只可產(chǎn)生小的扭矩，在耦合元件和軸之間出現(xiàn)較大的磨損，并且該壓電電機(jī)比較昂貴。
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種更有利的壓電電機(jī)。該任務(wù)通過一種具有權(quán)利要求1的特征的壓電電機(jī)來解決。從屬權(quán)利要求2至19涉及其它優(yōu)選的方案。此外，該任務(wù)還通過一種用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)壓電電機(jī)的、具有權(quán)利要求20的特征的方法來解決。從屬權(quán)利要求21涉及該方法的另一優(yōu)選的方案。
該任務(wù)特別是通過一個(gè)包括有形成一個(gè)間隙的一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子的一個(gè)壓電電機(jī)來解決，其中，該定子或該轉(zhuǎn)子與一個(gè)壓電的轉(zhuǎn)換器相連，該壓電的轉(zhuǎn)換器與該定子或轉(zhuǎn)子一起形成一個(gè)諧振器，其中，該諧振器可沿一個(gè)主振蕩方向激勵(lì)；并且其中該定子具有一個(gè)面向轉(zhuǎn)子的作用面，或該轉(zhuǎn)子具有一個(gè)面向定子的作用面，并且該定子或該轉(zhuǎn)子包括一個(gè)與主振蕩方向呈角度地延伸的、彈性(柔性)的進(jìn)給元件，該進(jìn)給元件如此地跨接定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙，使該進(jìn)給元件至少有時(shí)支承在所述作用面上。該諧振器使進(jìn)給元件進(jìn)入振蕩的微量運(yùn)動(dòng)，使該進(jìn)給元件周期地把進(jìn)給力施加到作用面上，并且轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使該轉(zhuǎn)子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
在一個(gè)特別優(yōu)選的方案中，壓電電機(jī)設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，該電機(jī)具有一個(gè)圓形的、動(dòng)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子和一個(gè)圓環(huán)形的、包圍該動(dòng)子的定子。該定子裝有一個(gè)或兩個(gè)壓電的、環(huán)形的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器與該定子一起形成一個(gè)諧振器，該諧振器具有一個(gè)徑向于動(dòng)子的旋轉(zhuǎn)中心延伸的主振蕩方向，使該諧振器進(jìn)行沿徑向延伸的微量運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給元件與動(dòng)子或定子相連，最好為基本上直線延伸的結(jié)構(gòu)，并且相對(duì)于主振蕩方向最好在呈一個(gè)大于0度的角度、特別是呈一個(gè)20度-60度的角度的情況下延伸。在一個(gè)優(yōu)選的方案中，多個(gè)至很多個(gè)進(jìn)給元件沿定子或動(dòng)子的周圍方向相互有均勻間距地設(shè)置，其中，所有的進(jìn)給元件支承在同一作用面上。根據(jù)該進(jìn)給機(jī)構(gòu)的走向得出一個(gè)向左旋轉(zhuǎn)或向右旋轉(zhuǎn)的、壓電的電機(jī)。
在另一優(yōu)選的方案中，進(jìn)給元件不是直線延伸的結(jié)構(gòu)，而是具有一個(gè)第一分段以及一個(gè)第二分段，這兩個(gè)分段在一個(gè)折彎位置處會(huì)合。該第一及第二分段具有不同的諧振頻率(固有頻率)，其結(jié)果在于，該壓電的旋轉(zhuǎn)電機(jī)根據(jù)諧振器的頻率可進(jìn)行向左旋轉(zhuǎn)或向右旋轉(zhuǎn)。這兩個(gè)分段在電機(jī)運(yùn)行時(shí)可自由振蕩。屆時(shí)，第一分段相對(duì)于與自己相連的定子或動(dòng)子振蕩，第二分段相對(duì)于第一分段振蕩并且作用到所述作用面上。
在另一優(yōu)選的方案中，根據(jù)發(fā)明的壓電電機(jī)設(shè)計(jì)為直線電機(jī)，其中，定子沿直線方向延伸，并且轉(zhuǎn)子在該方向上是可動(dòng)地支承的。
本發(fā)明的壓電電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)該壓電電機(jī)可設(shè)計(jì)為向左旋轉(zhuǎn)地、向右旋轉(zhuǎn)地或沿兩個(gè)方向轉(zhuǎn)的，其最大扭矩和最大速度可經(jīng)由進(jìn)給元件相對(duì)于作用面的作用角度調(diào)整，作用面較大，使作用到作用面上的進(jìn)給元件只有少量磨損，進(jìn)給元件無沖擊性運(yùn)動(dòng)地作用到作用面上，結(jié)果造成少量磨損，只需使一個(gè)唯一的諧振器工作，這與已知采用多個(gè)諧振器相比可大大簡化機(jī)械的諧振回路的諧調(diào)，結(jié)構(gòu)很簡單，生產(chǎn)成本比較低，該壓電電機(jī)很小并且安靜，此外可在很大程度上無轉(zhuǎn)位差地工作，并且其轉(zhuǎn)角具有高的辨率，可無彎曲力矩地驅(qū)動(dòng)所述軸，該壓電電機(jī)能以小的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，具有高的扭矩并因此可沒有變速機(jī)構(gòu)地運(yùn)作，該壓電電機(jī)在幾微秒的范圍內(nèi)具有短的啟動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)時(shí)間，該壓電電機(jī)具有小的結(jié)構(gòu)體積，該壓電電機(jī)幾乎不發(fā)射電磁散射場(chǎng)，并且該壓電電機(jī)具有高的效率。
下面借助附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的設(shè)備的多個(gè)實(shí)施例。
附圖示出

圖1a一個(gè)徑向振蕩的定子的側(cè)視圖及其收縮了的狀態(tài)；圖1b一個(gè)徑向振蕩的定子的側(cè)視圖及其膨脹了的狀態(tài)；圖1c定子的沿剖面線A-A的截面圖；圖2a另一徑向振蕩的定子的側(cè)視圖及其膨脹了的狀態(tài)；圖2b另一徑向振蕩的定子的側(cè)視圖及其收縮了的狀態(tài)；圖2c定子的沿剖面線B-B的截面圖；圖3a一個(gè)向左旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖；圖3b一個(gè)向左旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的示意側(cè)示圖；圖4一個(gè)向右旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖；圖5a一個(gè)向左旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖，該轉(zhuǎn)子可沿兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)；圖5b一個(gè)向右旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖，該轉(zhuǎn)子可沿兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)；圖5c具有進(jìn)給元件的轉(zhuǎn)子的示意視圖；圖5d另一進(jìn)給元件的詳細(xì)視圖；圖6一個(gè)轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖，該轉(zhuǎn)子可沿兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)；圖7該定子的頻率特性或者其諧振曲線；圖8該定子的第一和第二諧振曲線；圖9a一個(gè)沒有軸承的、設(shè)計(jì)為內(nèi)轉(zhuǎn)子的壓電電機(jī)的側(cè)視圖；圖9b在圖9a中所示的電機(jī)沿剖面線C-C的截面圖；圖10a另一具有軸承的、設(shè)計(jì)為內(nèi)轉(zhuǎn)子的壓電電機(jī)的側(cè)視圖；圖10b在圖10a中所示的電機(jī)沿剖面線D-D的截面圖；圖11a另一沒有軸承的、設(shè)計(jì)為內(nèi)轉(zhuǎn)子的壓電電機(jī)的側(cè)視圖；圖11b在圖11a中所示的電機(jī)沿剖面線E-E的截面圖；圖12a一個(gè)沒有軸承的、設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子的壓電電機(jī)的側(cè)視圖12b在圖12a中所示的電機(jī)沿剖面線F-F的截面圖；圖13a一個(gè)具有軸承的、設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子的壓電電機(jī)的側(cè)視圖；圖13b在圖13a中所示的電機(jī)沿剖面線G-G的截面圖；圖14a一個(gè)具有一個(gè)空心轉(zhuǎn)子的、設(shè)計(jì)為內(nèi)轉(zhuǎn)子的壓電電機(jī)的側(cè)視圖；圖14b在圖14a中所示的電機(jī)沿剖面線H-H的截面圖；圖15a一個(gè)用于向左旋轉(zhuǎn)和向右旋轉(zhuǎn)的直線電機(jī)的側(cè)視圖；圖15b圖15a中所示的直線電機(jī)沿剖面線I-I的截面圖；圖16a、16b、16c 該電機(jī)的變型的實(shí)施方式；圖17a另一用于向左旋轉(zhuǎn)和向右旋轉(zhuǎn)的直線電機(jī)的側(cè)視圖；圖17b、17c、17d 在圖17a中所示的直線電機(jī)沿剖面線J-J的截面的各不相同的變型。
在下面說到定子和轉(zhuǎn)子或者動(dòng)子時(shí)，這些概念是可相互交換的，因?yàn)殡姍C(jī)的稱為定子的、固定的部分在稱為轉(zhuǎn)子或者動(dòng)子的部分是固定設(shè)置的情況下也可是電機(jī)的轉(zhuǎn)子或者旋轉(zhuǎn)的部分。圖1a和1b示出了一個(gè)由圓環(huán)形的、用金屬或陶瓷制作的定子1及兩個(gè)環(huán)形的、壓電的轉(zhuǎn)換器3a、3b所組成的諧振器1，3，這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器3a、3b設(shè)在定子1的兩側(cè)上并與定子1固定連接。該諧振器1，3相對(duì)于中心4a為軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，并在受激勵(lì)的狀態(tài)下具有一個(gè)相對(duì)于中心4a沿徑向延伸的主振蕩方向H或者微量運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，該諧振器1，3是如此構(gòu)成的，即該諧振器1，3總體上收縮，如在圖1a中通過用虛線表示的較廓線所示，或者該諧振器總體上膨脹，如在圖1b中通過用虛線表示的輪廓線所示。
圖1c示出了該諧振器1，3沿剖面線A-A的截面圖。
圖2a和圖2b示出了另一個(gè)諧振器1，3，該諧振器1，3與在圖1a，1b中所示的方案的區(qū)別在于，可如此地朝一個(gè)相對(duì)于中心4a徑向延伸的主振蕩方向H受到激勵(lì)，使該諧振器1，3的環(huán)寬度增大，如在圖2a中通過用虛線表示的輪廓線所示，或使該諧振器1，3的環(huán)寬度縮小，如在圖2b中通過用虛線表示的輪廓線所示。
圖2c示出了該諧振器1，3沿剖面線B-B的截面圖。
圖3a示出了一個(gè)壓電電機(jī)6的一個(gè)細(xì)節(jié)，該壓電電機(jī)6具有一個(gè)諧振器1，3，該諧振器像在圖1a、1b、2a、2b公開的一樣。該諧振器1，3具有一個(gè)朝內(nèi)的作用面1a。該諧振器1，3可沿主振蕩方向H受到激勵(lì)，使該作用面1a沿該方向振蕩。用虛線表示的作用面1b示出了作用面1a在諧振器1、3的最大收縮時(shí)刻的位置。一個(gè)圓形的、具有旋轉(zhuǎn)中心4a的轉(zhuǎn)子4在構(gòu)成一個(gè)間隙7的情況下設(shè)在定子1內(nèi)。一個(gè)呈角度a朝主振蕩方向H延伸的、彈性的進(jìn)給元件5設(shè)在轉(zhuǎn)子4的表面上。在基本位置上，所述作用面具有用1a標(biāo)示的位置，并且進(jìn)給元件5具有用5a標(biāo)示的位置。在作用面1a向著用1b標(biāo)示的位置運(yùn)動(dòng)的過程中，進(jìn)給元件5彎曲并且屆時(shí)過渡到用5b標(biāo)示的推動(dòng)位置中。由于作用面1a和進(jìn)給元件5之間的摩擦力足夠高，所以進(jìn)給元件5在作用面從位置1a收縮到位置1b期間仍支承在作用面的同一位置1a，1b上，因此進(jìn)給元件5把一個(gè)朝左的力作用到轉(zhuǎn)子4上使轉(zhuǎn)子4沿D方向向左旋轉(zhuǎn)。在作用面從位置1b向位置1a反振蕩運(yùn)動(dòng)期間，諧振器1，3經(jīng)歷一個(gè)高的加速度。據(jù)此，進(jìn)給元件5在作用面1a、1b上的磨擦力很小，使得在該反振蕩運(yùn)動(dòng)期間沒有或只有很小的、沿旋轉(zhuǎn)方向D作用的力被施加到轉(zhuǎn)子4上，使該轉(zhuǎn)子4基本上不運(yùn)動(dòng)。但是，通過諧振器1，3的接下來的收縮，轉(zhuǎn)子4經(jīng)由進(jìn)給元件5重新又沿方向D被旋轉(zhuǎn)。據(jù)此，只要諧振器1，3沿主振蕩方向H振蕩，轉(zhuǎn)子4就沿方向D向左進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。只要諧振器1，3靜止不動(dòng)，轉(zhuǎn)子4就不再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，該壓電電機(jī)6可任意被啟動(dòng)和再被止動(dòng)。
圖3b再次詳細(xì)示出了在圖3a中示出的壓電電機(jī)6的工作原理。具有工作面1a的諧振器1，3沿徑向方向被收縮距離Δrs，使作用面占據(jù)用1b表示的位置。在這種情況下，進(jìn)給元件5從基本位置5a過渡到推動(dòng)位置5b中，并且進(jìn)給元件5的尖端5f沿旋轉(zhuǎn)方向D移動(dòng)為ΔUR的量，使得位于轉(zhuǎn)子4上的尖端5f讓轉(zhuǎn)子4也旋轉(zhuǎn)該量。
圖4示出了在圖3a中所示的壓電電機(jī)6的一個(gè)變型的方案，其中與圖3a所示的方案相比，進(jìn)給元件5相對(duì)于主振蕩方向H是沿相反的方向延伸地設(shè)置的。其結(jié)果在于，轉(zhuǎn)子4在諧振器1，3振蕩期間沿方向D旋轉(zhuǎn)，并因此進(jìn)行右旋轉(zhuǎn)。除進(jìn)給元件5的布局之外，圖3a和圖4所示的壓電電機(jī)6的結(jié)構(gòu)相同。
圖5a和5b示出了一個(gè)壓電電機(jī)6，該壓電電機(jī)與圖4所示的方案的區(qū)別在于，具有一個(gè)折彎延伸的進(jìn)給元件5。該進(jìn)給元件5包括一個(gè)與轉(zhuǎn)子4相連的第一分段5C以及一個(gè)與此相接的、相對(duì)于主振蕩方向H沿相反的方向延伸的分段5d。
圖5c示意地詳細(xì)地示出了在圖5a和5b中示出的進(jìn)給元件5。
圖5d示出了一個(gè)折彎延伸的、具有第一分段5c、一個(gè)變窄位置5e和一個(gè)尖端5f的進(jìn)給元件5的實(shí)施例，所述的變窄位置5e匯入第二分段5d，第二分段5d止于所述尖端5f。該進(jìn)給元件5與轉(zhuǎn)子或者說動(dòng)子4固定相連。為了影響分段的固有頻率，所述的變窄位置5e不是必須的，該變窄位置5e可任意地被設(shè)置。
折彎延伸的進(jìn)給元件5具有一個(gè)技術(shù)性能，下面將詳細(xì)說明該技術(shù)性能。第一分段5c具有一個(gè)第一固有諧振頻率f1。第二分段5d具有一個(gè)第二固有諧振頻率f2。這兩個(gè)分段5c、5d是如此構(gòu)成的和如此相互機(jī)械耦合的使這兩個(gè)固有諧振頻率f1、f2具有不同的值。整個(gè)進(jìn)給元件5經(jīng)由諧振器1，3被激發(fā)振蕩，并且在這種情況下以頻率f進(jìn)行振蕩。
圖6示出了一個(gè)轉(zhuǎn)子4的一個(gè)實(shí)施例，在該轉(zhuǎn)子的表面上有間距地設(shè)有多個(gè)折彎的進(jìn)給元件5。在一個(gè)優(yōu)選的方案中，在圖5a、5b中示出的壓電電機(jī)6具有在圖6中示出的轉(zhuǎn)子4。
圖7示出了進(jìn)給元件5的與激勵(lì)頻率f有函數(shù)關(guān)系的振幅。在圖7中，進(jìn)給元件5具有譬如一個(gè)其范圍為100千赫的諧振頻率。
圖8示出了諧振器1，3的與激勵(lì)頻率f有函數(shù)關(guān)系的振幅，該諧振器1，3用于在圖5a和5b中所示的壓電電機(jī)6。在圖8中，該諧振器1，3在譬如頻率為100千赫和300千赫時(shí)具有自然諧振。
圖7和圖8的比較表明，在圖5a和5b中所示的壓電電機(jī)6是如此構(gòu)成的，不僅諧振器1，3，還有進(jìn)給元件5也在100千赫的范圍內(nèi)具有諧振。特別有意義是以下描述的技術(shù)效應(yīng)。進(jìn)給元件5是如此構(gòu)成的，即在100千赫的諧振頻率以下、譬如在90千赫時(shí)，第一分段5c基本上具有一個(gè)有一個(gè)相應(yīng)高的振幅的諧振特性。在圖5b中示出了該諧振特性，即該第一分段5c被比較強(qiáng)地偏移，而在其諧振頻率之外被激勵(lì)的第二分段5b則只進(jìn)行小的偏移或者變形。其結(jié)果是，轉(zhuǎn)子4沿旋轉(zhuǎn)方向D被逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
此外，該進(jìn)給元件5是如此構(gòu)成的，即在諧振頻率100千赫以上，如圖所示在為110千赫時(shí)，第二分段5c基本上具有一個(gè)有相應(yīng)高的振幅的諧振特性。在圖5a中示出了該諧振特性，即第二分段5d較大地被偏移，在其諧振頻率之外被激勵(lì)的第一分段5c則只有少的偏移或者變形。其結(jié)果在于，轉(zhuǎn)子4沿旋轉(zhuǎn)方向D順時(shí)針被旋轉(zhuǎn)。據(jù)此，在圖5a和5b中所示的壓電電機(jī)6，如在圖7中所示，根據(jù)激勵(lì)頻率向左或向右旋轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)本發(fā)明的壓電電機(jī)的該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)，即該壓電電機(jī)可沿兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向受到驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向是可選擇的，并且旋轉(zhuǎn)方向在工作期間譬如是可隨時(shí)改變的。
圖9示出了一個(gè)設(shè)計(jì)為內(nèi)轉(zhuǎn)子的壓電電機(jī)6的側(cè)視圖，該壓電電機(jī)6具有一個(gè)諧振器1，3、一個(gè)帶固定構(gòu)件1c的定子1、一個(gè)具有供電引線8的環(huán)形壓電轉(zhuǎn)換器3a、3b以及一個(gè)可繞旋轉(zhuǎn)中心4a旋轉(zhuǎn)的動(dòng)子4，該動(dòng)子4具有很多個(gè)沿圓周方向間隔設(shè)置的進(jìn)給元件5。
圖9b示出了圖9a沿剖面線C-C的截面圖，從該截面圖中可看到具有定子1和壓電的轉(zhuǎn)換器3a，3b的諧振器1，3以及具有進(jìn)給元件5和一個(gè)設(shè)在中央的軸4b的動(dòng)子4。
圖10a示出了另一壓電電機(jī)6的側(cè)視圖，與在圖9a中所示的方案不同，該壓電電機(jī)6的軸4b支承在一個(gè)軸承9中。
圖10b示出圖10a沿剖面線D-D的截面圖，從該截面圖中可看到具有定子1和壓電的轉(zhuǎn)換器3a，3b的諧振器1，3、以及具有進(jìn)給元件5和一個(gè)設(shè)在中央的軸4b的動(dòng)子4，該軸4b支承在軸承9中。
圖11a示出另一壓電電機(jī)6的側(cè)視圖，該壓電電機(jī)6的諧振器1，3與在圖9a中所示的方案不同，具有兩個(gè)定子1和一個(gè)設(shè)在其間的壓電轉(zhuǎn)換器3。
圖11b示出了圖11a沿剖面線E-E的截面圖，從該截面圖中可見到具有兩個(gè)定子1和設(shè)在這兩個(gè)定子之間的壓電轉(zhuǎn)換器3的諧振器1，3以及具有進(jìn)給元件5和一個(gè)設(shè)在中央的軸4b的動(dòng)子4。
圖12a示出了設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子的壓電電機(jī)6的側(cè)視圖，該壓電電機(jī)6具有一個(gè)諧振器1，3、一個(gè)經(jīng)過固定構(gòu)件1c固定錨定的定子1、兩個(gè)盤形的、帶饋電引線8的壓電轉(zhuǎn)換器3a，3b以及一個(gè)可繞旋轉(zhuǎn)中心4a旋轉(zhuǎn)的、設(shè)計(jì)為空心轉(zhuǎn)子的動(dòng)子4，該動(dòng)子4具有很多個(gè)沿圓周方向有間隔地設(shè)置的進(jìn)給元件5。這些進(jìn)給元件5向內(nèi)突出地設(shè)置，并支承在諧振器1，3的圓形的外面上。
圖12b示出了圖12a沿剖面線F-F的截面圖，從該截面圖中可看到具有定子1、壓電的轉(zhuǎn)換器3a，3b和帶饋電引線8的固定構(gòu)件1c的諧振器1，3。具有進(jìn)給元件5的動(dòng)子4設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子并且支承在諧振器1，3的外面上。
圖13a示出了另一設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子的壓電電機(jī)6的側(cè)視圖。與在圖12a和12b中所示的方案不同，具有壓電的轉(zhuǎn)換器3a，3b的定子1和動(dòng)子4支承在一個(gè)共同的、具有軸4b的軸承9上。
圖13b示出了圖13a沿剖面線G-G的截面圖，從該截面圖中可看到固定在軸承9上的、具有定子1和壓電的轉(zhuǎn)換器3a，3b的諧振器1，3以及支承在軸4b上的、具有進(jìn)給元件5的動(dòng)子4。軸4b是與軸承9固定連接的。
圖14a示出了另一壓電電機(jī)6的側(cè)視圖，該壓電電機(jī)的動(dòng)子4與在圖9a中所示的方案不同，是空心轉(zhuǎn)子。
圖14b示出了圖14a沿剖面線H-H的截面圖，從該截面圖中可看到諧振器1，3以及設(shè)計(jì)為空心轉(zhuǎn)子的動(dòng)子4。
圖15a示意地示出了本發(fā)明的壓電電機(jī)6如何可構(gòu)成為直線電機(jī)的原理。在圖中沒有示出用于激勵(lì)壓電構(gòu)件的電接頭，或壓電構(gòu)件的疊層結(jié)構(gòu)。
圖15b示意地示出了根據(jù)圖15a所示的直線電機(jī)沿剖面線I-I的截面圖。轉(zhuǎn)子4為矩形和板形的結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)子4的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)壓電的轉(zhuǎn)換器3a，3b，其中轉(zhuǎn)子4和轉(zhuǎn)換器3a，3b構(gòu)成一個(gè)諧振器4，3，該諧振器具有一個(gè)主振蕩方向H。轉(zhuǎn)子4沿一個(gè)垂直于主振蕩方向H延伸的運(yùn)動(dòng)方向B可移動(dòng)地支承在定子1中，并且上方和下方各具有一個(gè)作用面1a。定子1具有很多個(gè)進(jìn)給元件5，這些進(jìn)給元件5朝向轉(zhuǎn)子突出地并沿運(yùn)動(dòng)方向B有間距地設(shè)置。這些進(jìn)給元件5-如在圖5a至5d中詳細(xì)所述的那樣-是以折彎的形式構(gòu)成的，并且具有在圖7中所示的諧振特性。其結(jié)果在于，轉(zhuǎn)子4根據(jù)諧振器4，3的激勵(lì)頻率在圖15a所示的直線電機(jī)6中向左或向右運(yùn)動(dòng)。
與在圖15a和15b中所示的實(shí)施例相似，在以上所示的實(shí)施例中，壓電的轉(zhuǎn)換器3也可設(shè)在轉(zhuǎn)子4上。
圖17a示意地示出了本發(fā)明的另一優(yōu)選的、設(shè)計(jì)為直線電機(jī)6的方案。轉(zhuǎn)子4具有進(jìn)給元件5，并且定子1具有至少一個(gè)壓電的轉(zhuǎn)換器3。其它的特征是如果沒有其它說明，其設(shè)計(jì)與圖15所示的方案的特征相似。
圖17b示出了圖17a所示的直線電機(jī)6沿剖面線J-J的截面圖。定子1優(yōu)選地具有一個(gè)H形的橫截面，具有一個(gè)第一臂對(duì)11，11′和一個(gè)第二臂對(duì)12，12′。該第一臂對(duì)11，11′形成一個(gè)在其內(nèi)使轉(zhuǎn)子4可運(yùn)動(dòng)的通道。作用面1a位于該第一臂對(duì)11，11′的一個(gè)內(nèi)側(cè)面上，并與H輪廓的一個(gè)連接部分13有間距。所述第二臂對(duì)12，12′形成另一在其內(nèi)設(shè)有所述至少一個(gè)壓電的轉(zhuǎn)換器3的通道。其主振蕩方向H垂直于轉(zhuǎn)子4的運(yùn)動(dòng)方向或者定子的一個(gè)主擴(kuò)展方向延伸。如果存在多個(gè)壓電的轉(zhuǎn)換器3，則這些壓電的轉(zhuǎn)換器3是沿該主擴(kuò)展方向相互有間距地設(shè)置的。在該直線電機(jī)6的運(yùn)行中，至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器3的振蕩被傳遞到該第二臂對(duì)12，12′上，并從此通過杠桿作用被傳遞到第一臂對(duì)11，11′上。為此，定子具有一定的柔性，該柔性可使臂對(duì)11，11′，12，12′相對(duì)于H輪廓的連接部分13振蕩。
圖17c和17d分別示意地示出了具有圖17a的示圖的直線電機(jī)6的截面圖，但具有一個(gè)U形的橫截面。一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器3與U輪廓的底部14相連，也就是說設(shè)在該底部14的一個(gè)內(nèi)側(cè)面(圖17c)或外側(cè)面(17d)上。所述轉(zhuǎn)換器3最好沿主振蕩方向H部分地或近似完全地在該底部14上延伸。諧振器3，4具有兩個(gè)穩(wěn)定的諧振頻率。在用一個(gè)第一諧振頻率、譬如20千赫左右激勵(lì)壓電構(gòu)件3時(shí)，產(chǎn)生首先是U輪廓的底部14連同臂對(duì)11，11′的彎曲和振蕩。在一個(gè)第二諧振頻率、譬如30千赫時(shí)，底部14保持比較平坦并且主要只有臂對(duì)11，11′發(fā)生振蕩。這兩個(gè)諧振頻率是與轉(zhuǎn)子4的進(jìn)給元件5的諧振頻率相協(xié)調(diào)的，并因此使轉(zhuǎn)子4向左運(yùn)動(dòng)或向右運(yùn)動(dòng)。在該方案中和在所有其它的方案中，該激勵(lì)頻率或者諧振頻率最好在人的聽覺范圍之外，最好是高于16千赫或高于20千赫。
定子在附圖平面中和垂直于主振蕩方向H的擴(kuò)展最好在1毫米至3毫米或30毫米之間的范圍內(nèi)，并且轉(zhuǎn)子4的寬度、即作用面1a的距離最好在1毫米至3毫米或20毫米之間的范圍內(nèi)。也可實(shí)現(xiàn)低于1平方毫米的橫截面積和幾厘米的擴(kuò)展。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的方案中，在一個(gè)或兩個(gè)臂對(duì)11，11′，12，12′中，臂中的每一個(gè)臂的固有頻率分別不同于另一個(gè)臂的固有頻率，譬如，第一臂對(duì)的一個(gè)第一臂11沿主振蕩方向具有一個(gè)厚度d1，該厚度d1不同于該第一臂對(duì)的一個(gè)第二臂11′的厚度d2。第一臂對(duì)的該第一臂11替代地或附加地具有一個(gè)杠桿11，該杠桿臂11不同于該臂對(duì)的第二臂11′的杠桿臂12。這更確切地說具有如下優(yōu)點(diǎn)，即無須滿足對(duì)臂11，11′的尺寸的高的公差要求。
為了提高作用面1a和進(jìn)給元件5之間的摩擦值或者為了改善作用面1a和進(jìn)給元件5之間的傳力連接，可加大譬如進(jìn)給元件5上的相應(yīng)的表面積(研磨，彎曲或通過成型)，該表面可具有限定的表面粗糙度，具有微齒或由適宜的材料副制成。
圖16a，16b和16c分別示出了本發(fā)明的壓電電機(jī)的一個(gè)略有變型的、特殊的方案的俯視圖。為了更好的理解，單個(gè)地或共同地示出了在這里作為外轉(zhuǎn)子的動(dòng)子和在這里作為諧振器的定子。
一個(gè)壓電陶瓷環(huán)3與一個(gè)圖16a所示的金屬板10相聯(lián)合用一個(gè)交變電壓致使進(jìn)行振蕩，使其產(chǎn)生徑向收縮和再膨脹。在相宜地選擇幾何形狀時(shí)，該壓電陶瓷環(huán)3和該金屬板10朝設(shè)有譬如一個(gè)單電壓的中心+處進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振蕩。通過將所述兩個(gè)振動(dòng)-即壓電環(huán)的徑向振動(dòng)和該扭轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)-相疊加，該金屬板的外側(cè)上的一個(gè)點(diǎn)X進(jìn)行一個(gè)到該偏移的金屬板的外圍上的虛線10′上的點(diǎn)X′的和又返回的一個(gè)曲線軌跡。第二條虛線3′表示該壓電構(gòu)件的偏移。通過該疊加的偏移，使一個(gè)任意的、接觸環(huán)的外側(cè)的部分或者一個(gè)具有進(jìn)給元件的外轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)可被設(shè)計(jì)為兩個(gè)壓電陶瓷環(huán)之間的層疊或具有僅一個(gè)壓電陶瓷環(huán)，如在以上的附圖中曾多次談到的那樣。
一個(gè)按圖16b所示的、具有多個(gè)環(huán)形設(shè)置的進(jìn)給元件5的外轉(zhuǎn)子，也是具有相似形狀的圖12a，該外轉(zhuǎn)子是如此構(gòu)成的，即這些進(jìn)給元件5不是強(qiáng)制性地、但在圖16b舉例性地具有一個(gè)加大了的、用于扭轉(zhuǎn)振蕩的諧振器的接觸面B(不要與具有不同的、有不同的固有頻率的、其實(shí)際上只以尖端接觸待驅(qū)動(dòng)部分的分部的進(jìn)給元件混淆)。如在圖16c中所示，在總體的定子1，3和外轉(zhuǎn)子4中可看出該具有疊加振蕩的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理。
為了使該電機(jī)工作本發(fā)明的壓電的電機(jī)6包括一個(gè)定子1及轉(zhuǎn)子4，其中，該定子1或轉(zhuǎn)子4為了以主振蕩方向H振蕩是可壓電地激勵(lì)的，有利地如此工作，即該定子1具有一個(gè)面向轉(zhuǎn)子4的作用面1a，或者該轉(zhuǎn)子4具有一個(gè)面向定子1的作用面4a，該定子1或該轉(zhuǎn)子4包括一個(gè)橫向于主振蕩方向H延伸的、對(duì)準(zhǔn)作用面1a；4a的進(jìn)給元件5，并且該進(jìn)給元件5基于振蕩如此地與作用面1a；4a作用連接，使轉(zhuǎn)子4相對(duì)于定子1運(yùn)動(dòng)。
在另一個(gè)用于使電機(jī)工作的方法中，該方法是如此進(jìn)行的，即進(jìn)給元件具有一個(gè)第一分段5c及一個(gè)第二分段5d，該第一分段5c與主振蕩方向H呈角度地延伸，該第二分段5d與主振蕩方向H呈角度地并且與第一分段5c的方向相反地延伸，第一和第二分段5c，5d具有不同的諧振頻率，并且根據(jù)作用的振蕩的頻率，轉(zhuǎn)子4相對(duì)于定子1沿其一個(gè)方向或沿與此相反的方向運(yùn)動(dòng)。
在此所展示的方案可粗略地分成兩組，分別根據(jù)是哪個(gè)部件而設(shè)計(jì)成諧振器。在其中的一組中，在其上設(shè)有所述進(jìn)給元件的部件設(shè)計(jì)成諧振器，使該諧振器經(jīng)由所述進(jìn)給元件彈性地支承，并使這些進(jìn)給元件經(jīng)由接觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)地作用到另外的部件上。在另一組中，其位于進(jìn)給元件對(duì)面的部件設(shè)計(jì)為諧振器，使該諧振器的運(yùn)動(dòng)經(jīng)由接觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)地作用到所述進(jìn)給元件上。
本發(fā)明的壓電的電機(jī)通過其良好的性能可譬如用于時(shí)間測(cè)量技術(shù)的裝置、光學(xué)器具、測(cè)量儀表或轉(zhuǎn)速計(jì)等。
權(quán)利要求
1.包括一個(gè)定子(1)和一個(gè)轉(zhuǎn)子(4)以及一個(gè)與定子(1)或轉(zhuǎn)子(4)相連的壓電轉(zhuǎn)換器(3)的壓電的電機(jī)(6)，所述定子和轉(zhuǎn)子形成一個(gè)間隙(7)，所述壓電轉(zhuǎn)換器(3)與定子(1)或轉(zhuǎn)子(4)形成一個(gè)諧振器(1，3；4，3)，其中該諧振器(1，3；4，3)沿主振蕩方向(H)可激勵(lì)，其特征在于，該定子(1)具有一個(gè)面向轉(zhuǎn)子(4)的作用面(1a)，或者該轉(zhuǎn)子(4)具有一個(gè)面向定子(1)的作用面(4a)，并且該定子(1)或轉(zhuǎn)子(4)包括一個(gè)彈性的進(jìn)給元件(5)，該進(jìn)給元件(5)如此地跨接定子(1)和轉(zhuǎn)子(4)之間的間隙(7)，使進(jìn)給元件(5)至少有時(shí)支承在作用面(1a；4a)上，并且該進(jìn)給元件(5)具有一個(gè)第一分段(5c)及一個(gè)第二分段(5d)，其中，所述分段(5c，5d)具有不同的諧振頻率。
2.按權(quán)利要求1所述的壓電電機(jī)，其特征在于，該壓電電機(jī)構(gòu)成為直線電機(jī)，所述諧振器(1，3；4，3)具有一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向(B)，該運(yùn)動(dòng)方向(B)垂直于主振蕩方向(H)延伸，并且所述的作用面(1a；4a)沿運(yùn)動(dòng)方向(B)延伸。
3.按權(quán)利要求1所述的壓電電機(jī)，其特征在于，該壓電電機(jī)構(gòu)成為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，該電機(jī)具有一個(gè)圓形的、作為動(dòng)子的轉(zhuǎn)子(4)，其中所述諧振器(1，3；4，3)的主振蕩方向(H)徑向?qū)?zhǔn)轉(zhuǎn)子(4)的旋轉(zhuǎn)中心，并且作用面(1a；4a)圓形地延伸。
4.按權(quán)利要求3所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述定子(1)為圓形結(jié)構(gòu)，壓電的轉(zhuǎn)換器(3)與定子(1)固定相連，并且主振蕩方向(H)徑向于定子(1)的曲率中心延伸。
5.按以上權(quán)利要求之一所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述進(jìn)給元件(5)是直線延伸的。
6.按以上權(quán)利要求之一所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述進(jìn)給元件(5)是定子(1)或轉(zhuǎn)子(4)的構(gòu)成部分。
7.按以上權(quán)利要求之一所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述進(jìn)給元件(5)相對(duì)于主振蕩方向(H)具有一個(gè)傾斜角(α)，該傾斜角在45度和0度以上之間。
8.按以上權(quán)利要求之一所述的壓電電機(jī)，其特征在于，在定子(1)或轉(zhuǎn)子(4)上前后相連設(shè)有許多個(gè)進(jìn)給元件(5)。
9.按以上權(quán)利要求之一所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的第一分段(5c)和所述的第二分段(5d)在折彎處相遇，并且該第一分段(5c)與主振蕩方向(H)呈角度地延伸，并且該第二分段(5d)與第一分段(5c)的方向相反地、與主振蕩方向(H)呈角度地延伸。
10.按權(quán)利要求9所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述第一分段(5c)及所述的第二分段(5d)是如此地構(gòu)成的，即該第一分段和該第二分段具有不同的諧振頻率。
11.按以上權(quán)利要求之一所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述諧振器(1，3；4，3)是如此地構(gòu)成的，即在定子(1)或轉(zhuǎn)子(4)的中央和兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)壓電的轉(zhuǎn)換器(3)。
12.按權(quán)利要求1至10之一所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的諧振器(1，3；4，3)是如此構(gòu)成的，即所述壓電轉(zhuǎn)換器(3)在中央和兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)定子(1)或一個(gè)轉(zhuǎn)子(4)。
13.按以上權(quán)利要求之一所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)子(4)是外轉(zhuǎn)子。
14.按以上權(quán)利要求之一所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子支承在一個(gè)軸承部位(9)上。
15.按權(quán)利要求2所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述定子(1)為直線延伸的，所述諧振器(1，3；4，3)為板形的，并且該諧振器(1，3；4，3)相對(duì)于定子(1)直線運(yùn)動(dòng)地支承。
16.按權(quán)利要求2所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述壓電的轉(zhuǎn)換器(3)與所述定子(1)形成所述諧振器(1，3)。
17.按權(quán)利要求16所述的壓電電機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)子(4)相對(duì)于定子(1)直線運(yùn)動(dòng)地支承，并且具有至少一個(gè)進(jìn)給元件(5)。
18.按權(quán)利要求16或17所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述定子(1)具有一個(gè)H形的橫截面，該橫截面形成兩個(gè)通道，其中，轉(zhuǎn)子(4)直線運(yùn)動(dòng)地支承在一個(gè)第一通道中，并且一個(gè)或多個(gè)壓電的轉(zhuǎn)換器(3)設(shè)在一個(gè)第二通道中。
19.按權(quán)利要求16或17所述的壓電電機(jī)，其特征在于，所述定子(1)具有一個(gè)U形的橫截面，該橫截面形成一個(gè)通道，其中，轉(zhuǎn)子(4)直線運(yùn)動(dòng)地支承在該通道中，并且一個(gè)或多個(gè)壓電的轉(zhuǎn)換器(3)設(shè)在該U輪廓的底部(14)上。
20.用于驅(qū)動(dòng)一種壓電的電機(jī)(6)的方法，該壓電電機(jī)(6)包括一個(gè)定子(1)及一個(gè)轉(zhuǎn)子(4)，其中，該定子(1)或該轉(zhuǎn)子(4)為了以主振蕩方向(H)振蕩而壓電地進(jìn)行激勵(lì)，其特征在于，該定子(1)具有一個(gè)面向轉(zhuǎn)子(4)的作用面(1a)，或者該轉(zhuǎn)子(4)具有一個(gè)面向定子(1)的作用面(4a)，該定子(1)或該轉(zhuǎn)子(4)包括一個(gè)對(duì)準(zhǔn)該作用面(1a；4a)的進(jìn)給元件(5)，該進(jìn)給元件(5)由于振蕩如此地與作用面(1a；4a)作用連接，使轉(zhuǎn)子(4)相對(duì)于定子(1)運(yùn)動(dòng)，并且根據(jù)作用的振蕩的頻率使轉(zhuǎn)子(4)相對(duì)于定子(1)沿所述一個(gè)方向或沿與此方向相反的方向運(yùn)動(dòng)。
21.按權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)給元件(5)具有一個(gè)第一分段(5c)及一個(gè)第二分段(5d)，該第一分段(5c)與主振蕩方向H呈角度地延伸，該第二分段(5d)與主振蕩方向(H)呈角度地并沿與第一分段(5c)的方向相反的方向延伸，該第一和第二分段(5c，5d)具有不同的諧振頻率，并且根據(jù)作用的振蕩的頻率使轉(zhuǎn)子(4)相對(duì)于定子(1)沿所述一個(gè)方向或沿與此方向相反的方向運(yùn)動(dòng)。
22.權(quán)利要求1至19所述的壓電電機(jī)用于時(shí)間測(cè)量技術(shù)裝置、照相器具、測(cè)量儀表或轉(zhuǎn)速計(jì)的應(yīng)用。
全文摘要
壓電的電機(jī)(6)包括一個(gè)定子(1)和一個(gè)轉(zhuǎn)子(4)，該定子(1)和該轉(zhuǎn)子(4)形成一個(gè)間隙(7)，該壓電的電機(jī)還具有一個(gè)與定子(1)或轉(zhuǎn)子(4)相連的壓電的轉(zhuǎn)換器(3)，該壓電的轉(zhuǎn)換器(3)與定子(1)或轉(zhuǎn)子(4)一起形成一個(gè)諧振器(1，3；4，3)，其中，該諧振器(1，3；4，3)可沿一個(gè)主振蕩方向(H)激勵(lì)，其中，定子(1)具有一個(gè)面向轉(zhuǎn)子(4)的作用面(1a)，或者轉(zhuǎn)子(4)具有一個(gè)面向定子(1)的作用面(4a)，并且其中定子(1)或轉(zhuǎn)子(4)包括一個(gè)與主振蕩方向呈角度(α)地延伸的、彈性的進(jìn)給元件(5)，該進(jìn)給元件(5)如此地跨接定子(1)和轉(zhuǎn)子(4)之間的間隙(7)，使進(jìn)給元件(5)至少有時(shí)支承在作用面(1a；4a)上。該進(jìn)給元件(5)具有一個(gè)第一分段(5c)及一個(gè)第二分段(5d)，其中，所述分段(5c，5d)具有一個(gè)不同的諧振頻率。
文檔編號(hào)H01L41/09GK1653679SQ03810926
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2003年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月15日
發(fā)明者B·維特韋恩 申請(qǐng)人:米尼斯懷斯股份公司