專利名稱：使用了可彈性變形驅(qū)動(dòng)元件的低成本高傳力方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，特別地講，涉及一種使用了帶有可彈性變形驅(qū)動(dòng)元件的摩擦驅(qū)動(dòng)器的低成本高傳力方法和裝置。
一種替代這些復(fù)雜精密系統(tǒng)的系統(tǒng)是使用摩擦驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。摩擦驅(qū)動(dòng)器通常包括由動(dòng)力源例如電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)軸及沿直線方向移動(dòng)的工作臺(tái)，所述工作臺(tái)由于受到所述軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而施加在其上的摩擦力(推力)的作用而直線運(yùn)動(dòng)。然而，摩擦驅(qū)動(dòng)器的所述驅(qū)動(dòng)軸通常會(huì)受到過(guò)分磨損。這是因?yàn)椋Σ硫?qū)動(dòng)器需要很大的預(yù)負(fù)載，以便獲得絕大部分運(yùn)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合中所必需的推力，而又不會(huì)出現(xiàn)摩擦驅(qū)動(dòng)器打滑，。
為了克服該磨損問(wèn)題，低磨損材料，例如陶瓷可用于所述驅(qū)動(dòng)軸。然而，低磨損材料使用起來(lái)昂貴，并且在必要的構(gòu)型下通常很難加工。低磨損材料還會(huì)對(duì)所述驅(qū)動(dòng)軸的摩擦系數(shù)造成負(fù)面影響。
因此，需要一種能夠提供足以移動(dòng)多種加工設(shè)備的大推力而又不會(huì)導(dǎo)致所述驅(qū)動(dòng)軸過(guò)分磨損的摩擦驅(qū)動(dòng)器。
顯然，上面的概述和下面的詳細(xì)描述都是示例性的，本發(fā)明并不限制于此。
圖3是圖2中摩擦驅(qū)動(dòng)器沿著圖2中線3-3剖切的剖視圖；圖4A是圖2中摩擦驅(qū)動(dòng)器的有限元分析的圖解說(shuō)明，其表示的是在力作用之前的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)；圖4B是圖2中摩擦驅(qū)動(dòng)器的有限元分析的圖解說(shuō)明，其表示的是變形情況；圖5和5A是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的用于裝有粘彈性阻尼材料的摩擦驅(qū)動(dòng)器中的可彈性變形傳動(dòng)件；圖6和6A分別是圖5和5A中的可彈性變形傳動(dòng)件沿著線6-6和6A-6A剖切的剖視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的用于裝有磁阻尼的摩擦驅(qū)動(dòng)器中的可彈性變形傳動(dòng)件的剖視圖；圖8A是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的由作用有預(yù)加載力的摩擦驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部軸驅(qū)動(dòng)的可彈性變形傳動(dòng)件的剖視圖；圖8B是沒(méi)有預(yù)加載力作用時(shí)圖8A中的可彈性變形傳動(dòng)件的剖視圖。
如果用在精密定位裝置中，上述現(xiàn)有技術(shù)的摩擦驅(qū)動(dòng)器具有一個(gè)問(wèn)題。為了使移動(dòng)件20作精密運(yùn)動(dòng)，軸徑最好最小化。這是因?yàn)殡姍C(jī)的角度誤差會(huì)轉(zhuǎn)換為移動(dòng)件中更小的定位誤差。然而，在精密的定位裝置中，移動(dòng)件可能具有實(shí)體塊例如夾具、工件、附件和類似物，這就需要大的預(yù)加載力來(lái)產(chǎn)生足夠大推力。軸10的小直徑和大的預(yù)加載力共同作用，就會(huì)導(dǎo)致軸、移動(dòng)件或兩者的過(guò)度磨損。
如圖2和3所示，本發(fā)明通過(guò)提供可彈性變形傳動(dòng)件100克服了與摩擦驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的上述及其他問(wèn)題?？蓮椥宰冃蝹鲃?dòng)件100可以與圖2中所示的驅(qū)動(dòng)軸形成為一體。在示例性實(shí)施例中，可彈性變形傳動(dòng)件100可被安裝在
圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)摩擦驅(qū)動(dòng)器2中。然而，可彈性變形傳動(dòng)件100不局限于圖1所示和上述的摩擦驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然其可安裝在其它替代性摩擦驅(qū)動(dòng)器中。
在圖2和3的示例性實(shí)施例中，可彈性變形傳動(dòng)件100在旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)30的脈沖作用下沿著轉(zhuǎn)動(dòng)方向106轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖可通過(guò)不同于旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的裝置來(lái)提供，例如旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)致動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)液壓致動(dòng)器、絲杠和類似物。然而，旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，特別是用來(lái)自日本東京Shinsei公司的型號(hào)為D6030的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)同樣來(lái)自Shinsei公司的型號(hào)為USR30的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，能夠提供高度可靠的角位移。
預(yù)加載力103施加在可彈性變形傳動(dòng)件100上，使其壓向移動(dòng)件20的表面22上。支承輥40使移動(dòng)件20壓向可彈性變形傳動(dòng)件100，以便盡管在移動(dòng)件20運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)了較小非線性，也能在可彈性變形傳動(dòng)件100和移動(dòng)件20的表面22之間維持均勻的接觸力?？蓮椥宰冃蝹鲃?dòng)件100的轉(zhuǎn)動(dòng)和接觸力在移動(dòng)件20的表面22上產(chǎn)生摩擦力。該摩擦力起著推力作用，使移動(dòng)件20沿著運(yùn)動(dòng)方向26移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)方向26基本上垂直于預(yù)加載力103的方向。
可彈性變形傳動(dòng)件100在接觸區(qū)域101處與移動(dòng)件20的表面22接觸(如圖3所示)?？蓮椥宰冃蝹鲃?dòng)件100在預(yù)加載力103所產(chǎn)生的接觸力的作用下發(fā)生彈性變形。與直徑等于可彈性變形傳動(dòng)件100的非變形傳動(dòng)件的接觸區(qū)域相比，所述彈性變形將會(huì)增大接觸區(qū)域101。因?yàn)樗鼋佑|力與非變形傳動(dòng)件的接觸力相同，所以推力基本上相同。然而，因?yàn)榻佑|力能被分散在增加的接觸區(qū)域上，所以在可彈性變形傳動(dòng)件100和移動(dòng)件20的表面22之間由于摩擦接觸所產(chǎn)生的磨損就會(huì)降低。
可彈性變形傳動(dòng)件100的直徑被最小化，以維持定位解析度。定位解析度會(huì)被旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)30中的角度誤差降低。因此，當(dāng)直徑減小時(shí)，角度誤差就會(huì)轉(zhuǎn)換為更小的定位誤差而且精確度得到改善。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，所述直徑小于大約5.25mm，能夠獲得小于10nm的步進(jìn)精度。減小可彈性變形傳動(dòng)件100的直徑也會(huì)增加推動(dòng)力，而增加可彈性變形傳動(dòng)件100的直徑則會(huì)增加移動(dòng)件20的速度。
可彈性變形傳動(dòng)件100包括具有用于承受扭轉(zhuǎn)載荷和為了獲得所希望的推力而必需的預(yù)載荷的足夠強(qiáng)度的材料。所述材料也希望具有使其在所施加的接觸力作用下能夠發(fā)生彈性變形的足夠彈性，以便獲得所希望的推力。在示例性實(shí)施例中，可彈性變形傳動(dòng)件100包括熱處理不銹鋼。
在示例性實(shí)施例中，可彈性變形傳動(dòng)件100包括圓柱形壁或環(huán)111。圓柱形壁111的厚度尺寸的選取，要使之能夠在為了獲得所希望的推力而必要的接觸壓力的位置處提供彈性變形，而其直徑是基于為了獲得所希望的定位解析度而選取的。所述彈性變形使得可彈性變形傳動(dòng)件100在預(yù)加載力103的方向上半徑減小，在垂直于預(yù)加載力103的方向上(也即運(yùn)動(dòng)方向26)半徑增大。在運(yùn)動(dòng)方向26上增大的半徑使得在接觸區(qū)域101處的曲率半徑增大，從而使得接觸區(qū)域101增大。圓柱形環(huán)可與旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)30的軸形成一體，并可被例如形成旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)30的軸外徑的圓柱形表面和與外徑基本同心的孔105限定?？?05可由車削、銑削或其他能夠在軸中提供基本上同心的孔的加工方法形成。在外徑約為5.25mm的可彈性變形傳動(dòng)件100的示例中，所述孔的直徑可在大約4mm和4.6mm之間。厚度在大約0.325mm和0.625mm之間并包括熱處理不銹鋼材料形成的圓柱形壁發(fā)生變形，以增大在可彈性變形傳動(dòng)件100和移動(dòng)件20之間的接觸區(qū)域101。
可彈性變形傳動(dòng)件100的變形及由此引起的接觸區(qū)域101的增大降低了接觸應(yīng)力(由于預(yù)加載力103而施加在接觸區(qū)域上的力所產(chǎn)生的應(yīng)力)。在示例性實(shí)施例中，該接觸應(yīng)力減小到低于可彈性變形傳動(dòng)件100、移動(dòng)件20或兩者遭受磨損的屈服應(yīng)力的水平。該磨損是在接觸應(yīng)力超過(guò)圓柱形壁111或移動(dòng)件20的材料的屈服應(yīng)力時(shí)由圓柱形壁111或表面22的表面的損壞引起的。
可彈性變形傳動(dòng)件100的變形增加了可彈性變形傳動(dòng)件100在運(yùn)動(dòng)方向26上的剛度。這是因?yàn)閯偠入S著半徑的增加而增加，而圓柱形壁111的半徑在運(yùn)動(dòng)方向26上增加了。在運(yùn)動(dòng)方向26上所增加的剛度通過(guò)減小死區(qū)和游隙改善了摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的定位精度。
如圖4A和4B所示，有限元模型(FEM)被用來(lái)分析可彈性變形傳動(dòng)件100。為了建模目的，可彈性變形傳動(dòng)件100給出的是上面為直線工作臺(tái)的示例性實(shí)施例所提供的尺寸。揚(yáng)氏模量采用190-210GPa。用于分析而施加的預(yù)加載力范圍為10-30磅。如圖4B所示，由于接下來(lái)預(yù)加載力的作用，在模型可彈性變形傳動(dòng)件100B中發(fā)生了彈性變形，從而增大了其與移動(dòng)件20的接觸區(qū)域。
在示例性實(shí)施例中，如圖5和6所示，孔105所提供的空間用于向可彈性變形傳動(dòng)件100C提供緩沖。具體地講，在圖5所示的示例性實(shí)施例中，粘彈性材料500安置在孔105中。粘彈性材料500可如圖5和6所示填滿孔105。作為一種替代性方法，內(nèi)部軸108可通過(guò)用粘彈性材料500填滿圓柱形壁111和內(nèi)部軸108之間的間隙而安置在孔105中。內(nèi)部軸108可如圖5A和6A所示延伸出圓柱形壁111，并被徑向軸承(未示出)限位。作為一種替代性方法，內(nèi)部軸108可與可彈性變形傳動(dòng)件100形成為一體。粘彈性材料500可以是多種本領(lǐng)域現(xiàn)有材料中的任意一種，以便能夠在響應(yīng)施加力而發(fā)生變形的過(guò)程中通過(guò)吸收能量來(lái)提供緩沖。粘彈性材料500可在圓柱形壁111的內(nèi)徑或孔105的底部或兩者處連接在可彈性變形傳動(dòng)件100上。當(dāng)移動(dòng)件20在摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中振動(dòng)時(shí)，粘彈性材料500就會(huì)緩沖所述振動(dòng)(吸收振動(dòng)能量)，從而提高了摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的定位解析度。
現(xiàn)參照?qǐng)D7，示例性實(shí)施例表示的是使用磁場(chǎng)601來(lái)為電變形傳動(dòng)件提供緩沖。磁場(chǎng)601由安置在可彈性變形傳動(dòng)件100D的孔105內(nèi)的磁鐵600產(chǎn)生?？蓮椥宰冃蝹鲃?dòng)件100D和移動(dòng)件20D包括導(dǎo)電材料。當(dāng)可彈性變形傳動(dòng)件100D相對(duì)磁鐵600移動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生渦漩電流，其通過(guò)將振動(dòng)能量作為通過(guò)可彈性變形傳動(dòng)件100D和移動(dòng)件20的熱量而散失的方式來(lái)緩沖摩擦驅(qū)動(dòng)器的振動(dòng)。
本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例如圖8A和8B所示。內(nèi)部軸700安置在圓柱形壁111E的內(nèi)部。在該示例性實(shí)施例中，內(nèi)部軸700在預(yù)加載力(例如預(yù)加載力103)作用下移向移動(dòng)件20。當(dāng)作用預(yù)加載力103時(shí)，如圖8A所示，圓柱形壁111E因?yàn)樵趦?nèi)部軸700和移動(dòng)件20之間受到擠壓而會(huì)發(fā)生彈性變形。圓柱形壁111E采用這樣構(gòu)造，即當(dāng)沒(méi)有預(yù)加載力作用時(shí)其在接觸區(qū)域101E處不與內(nèi)部軸700接觸，如圖8B所示。
包括在此圖示和描述的示例性實(shí)施例在內(nèi)的摩擦驅(qū)動(dòng)器，可用在將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源精確地轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)或直線移動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的多種應(yīng)用中。要求定位精確的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)有利應(yīng)用是直線工作臺(tái)，例如用在光學(xué)器件制作中。直線工作臺(tái)的定位精確度對(duì)于保持光學(xué)校直至關(guān)重要。然而，直線工作臺(tái)可能需要支撐很大的加工工具重量，這樣就需要大的推力。在此圖示和描述的本發(fā)明能夠?yàn)橛迷诶w維光學(xué)器件制作的直線工作臺(tái)提供足夠大的推力，同時(shí)還能保持小于10nm的定位解析度。
盡管是根據(jù)某一特殊實(shí)施例而在上面進(jìn)行圖示和描述，然而本發(fā)明并不僅限定在所示的這些細(xì)節(jié)上。更確切地講，在權(quán)利要求書(shū)的等同替代的范圍和領(lǐng)域內(nèi)可在這些細(xì)節(jié)中進(jìn)行各種更改，而且這些更改并沒(méi)有脫離本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種包括傳動(dòng)件和移動(dòng)件的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述傳動(dòng)件通過(guò)在接觸區(qū)域與所述移動(dòng)件摩擦接觸而將推力傳遞給所述移動(dòng)件，并且所述傳動(dòng)件發(fā)生彈性變形以增大所述傳動(dòng)件和所述移動(dòng)件之間的接觸區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于可彈性變形的傳動(dòng)件包括可彈性變形的驅(qū)動(dòng)環(huán)，所述驅(qū)動(dòng)環(huán)由與所述移動(dòng)件摩擦接觸的圓柱形表面和基本與所述圓柱形表面同心的孔形成。
3.如權(quán)利要求2所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還包括具有電機(jī)軸的電機(jī)，其中所述可彈性變形的驅(qū)動(dòng)環(huán)連接在所述電機(jī)軸上。
4.如權(quán)利要求2所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還包括具有電機(jī)軸的電機(jī)，其中所述可彈性變形的驅(qū)動(dòng)環(huán)與所述電機(jī)軸形成為一體。
5.一種用在摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的軸，包括接觸部分，其在預(yù)加載力作用下通過(guò)與移動(dòng)件的摩擦接觸而將推力傳遞給所述移動(dòng)件；所述接觸部分構(gòu)造成圓柱形壁，所述圓柱形壁具有這樣的厚度，即能夠使得所述圓柱形壁在預(yù)加載力的作用下發(fā)生彈性變形，以增大所述接觸區(qū)域。
6.如權(quán)利要求5所述的軸，還包括安置在所述圓柱形壁內(nèi)的粘彈性材料，用來(lái)緩沖所述軸中的振動(dòng)。
7.如權(quán)利要求5所述的軸，還包括安置在所述圓柱形壁內(nèi)的磁鐵，其中所述圓柱形壁包括導(dǎo)電材料，因此所述圓柱形壁的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生用于緩沖所述軸中的振動(dòng)的渦漩電流。
8.如權(quán)利要求5所述的軸，還包括內(nèi)部軸部分，其安置在所述圓柱形壁內(nèi)；其中所述內(nèi)部軸部分轉(zhuǎn)動(dòng)所述圓柱形壁并將所述預(yù)加載力施加在所述圓柱形壁上。
9.一種摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括移動(dòng)件，其在第一方向上移動(dòng)；軸，其具有基本上為圓柱形的表面，所述圓柱形表面在預(yù)加載力作用下與所述移動(dòng)件接觸，因此所述軸的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠通過(guò)摩擦接觸而沿著所述第一方向?qū)⑼屏鬟f給所述移動(dòng)件；所述軸具有基本上與形成圓柱形壁的所述圓柱形表面同心的孔，所述圓柱形表面在預(yù)加載力作用下發(fā)生彈性變形。
10.如權(quán)利要求9所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于所述圓柱形壁受到接觸應(yīng)力，并且所述圓柱形壁包括具有這樣屈服應(yīng)力的材料，即所述圓柱形壁上的接觸應(yīng)力小于所述圓柱形壁的屈服應(yīng)力。
11.如權(quán)利要求9所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還包括位于所述孔中的粘彈性材料，用于緩沖所述摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的振動(dòng)。
12.如權(quán)利要求11所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于所述粘彈性材料還包括內(nèi)部軸，所述粘彈性材料安置在所述內(nèi)部軸和所述圓柱形壁之間，并為所述摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的振動(dòng)提供緩沖。
13.如權(quán)利要求9所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于所述圓柱形壁的彈性變形增加了所述軸在所述第一方向上的剛度，從而降低了死區(qū)和游隙。
14.如權(quán)利要求9所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還包括用于轉(zhuǎn)動(dòng)所述軸的電機(jī)。
15.如權(quán)利要求14所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于所述電機(jī)是超聲電機(jī)。
16.如權(quán)利要求9所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于所述移動(dòng)件是用于光學(xué)器件制作的直線工作臺(tái)。
17.如權(quán)利要求9所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還包括安置在所述圓柱形壁內(nèi)的磁鐵，其中所述圓柱形壁和所述移動(dòng)件包括導(dǎo)電材料，因此所述圓柱形壁的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生用于緩沖所述摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的振動(dòng)的渦漩電流。
18.如權(quán)利要求9所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還包括安置在所述圓柱形壁內(nèi)的內(nèi)部軸部分；其特征在于所述內(nèi)部軸部分將預(yù)加載力施加在所述圓柱形壁上。
19.如權(quán)利要求9所述的摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于提供了小于10nm的定位解析度。
全文摘要
一種用在摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的可彈性變形傳動(dòng)件。所述可彈性變形傳動(dòng)件在其與移動(dòng)件之間的接觸區(qū)域處將推力傳遞給移動(dòng)件。所述可彈性變形傳動(dòng)件的彈性變形，例如受到垂直于所述移動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向的預(yù)加載力的作用后產(chǎn)生的變形，會(huì)使得所述可彈性變形傳動(dòng)件和所述移動(dòng)件之間的接觸區(qū)域增大。接觸區(qū)域的增大會(huì)降低所述可彈性變形傳動(dòng)件和所述移動(dòng)件中的應(yīng)力，進(jìn)而降低磨損。
文檔編號(hào)F16H55/32GK1451514SQ0310861
公開(kāi)日2003年10月29日 申請(qǐng)日期2003年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月29日
發(fā)明者大原徹雄 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社