專利名稱：超聲導螺桿電動機的制作方法
技術領域：
一種小型超聲線性電動機組件，所述組件包括螺紋軸和與其配合的螺母。
背景技術：
使用壓電電致伸縮的、靜電的或者電磁技術的變換器(transducer)廣泛用于納米級的精確定位。在壓電裝置的情況下，陶瓷形成為電容器，所述電容器在充電和放電時改變形狀，產生力變換器或者位置致動器。當用作位置致動器時，壓電陶瓷的形狀改變大致與所施加的電壓成比例。壓電致動器的范圍限制到大約對應幾十毫米的典型沖程長度(strokelength)的陶瓷長度的百分之0.1。當壓電致動器的高硬度(stiffness)和納米精度非常有用時，對于許多應用而言需要更大的沖程。
已經開發(fā)了多種壓電電動機設計，來“校正”小的陶瓷形狀改變并產生更大的沖程。
PZT步進電動機在美國專利No.3,902,084中進行了描述，該美國專利的整個公開此處并入到該說明書中。該電動機使用夾緊-延伸-夾緊-收縮操作順序來一起增加許多較短的PZT致動器循環(huán)。該步進線性致動器在從DC到幾個千赫的頻率上操作，這產生了較大噪音和振動。當電源關閉時不能維持位置。在行進超過200毫米實現(xiàn)好于1個納米的分辨率(resolution)。
PZT慣性遲滯(stick-slip)電動機在美國專利No.5,410,206中進行了描述；該美國專利的整個公開此處并入到該說明書中。該電動機使用對開螺母(split nut)旋轉細螺紋軸，這形成將所述軸夾持在相對側上的“爪(jaws)”。PZT致動器用非對稱交流電驅動信號迅速地沿著相反的方向移動所述爪?？焖僮\動克服了夾持摩擦并產生滑動。更慢的爪運動不能滑動并旋轉所述軸。該遲滯電動機與上述的步進電動機產生相似的噪音和振動，但是移動慢100倍并在關閉電源時保持位置。在行進超過25毫米實現(xiàn)好于50納米的分辨率。
超聲電動機使用壓電產生的振動來產生高速、高扭矩、小尺寸和靜操作的連續(xù)運動。
最早的超聲壓電電動機的一種在美國專利No.3,176,167中進行了描述，該美國專利的整個公開此處并入到該說明書中。該單向可旋轉的電動機使用石英振蕩器來移動細棒并且為了驅動鐘機構來驅動棘齒輪。
駐波(standing wave)超聲電動機的一個示例在美國專利No.5,453,653中進行了描述，該美國專利的整個公開此處并入到該說明書中。該電動機使用了矩形PZT板來產生相對移動表面預加載的觸點的超聲振動。PZT板上的電極圖案連接到交流信號并產生具有所需的振幅和相位的接觸尖端的二維振蕩，以相對匹配表面產生合力(net force)。該超聲電動機是安靜的并比步進電動機快100倍，同時產生大約1/3的力。通常超聲電動機難于停止和開始，這限制了精度。具有閉合環(huán)控制的編碼器典型地需要實現(xiàn)次微米(sub-micrometer)的分辨率。
使用超聲振動用于驅動螺桿的裝置在例如Katsuyuki Fujimura的美國專利No.6,147,435中進行了描述，該美國專利的整個公開此處并入到該說明書中。該專利公開并要求權利“...一種通過超聲振動驅動螺桿的機構，包括設有沿著軸向方向螺旋地形成有槽部的螺桿；一對機架，所述機架可旋轉地保持所述螺桿的相對端；工作架，所述工作架部分地圍繞所述螺桿并沿著所述螺桿的軸向方向可滑動；至少一個第一螺桿旋轉裝置，其固定在所述工作架的一側上并從所述工作架延伸到所述螺桿，所述至少一個螺桿旋轉裝置包括在第一特定角度上與所述螺桿的所述槽部接觸的第一振動器、將所述第一振動器在特定的壓力上朝向所述螺桿的所述槽部推動所述第一振動器的第一彈簧，和第一壓電致動器，用于在電啟動時振動所述第一振動器以沿著第一旋轉方向旋轉所述螺桿；和至少一個第二螺桿旋轉裝置，所述第二螺桿旋轉裝置固定在所述工作架的另外一側上并從所述工作架延伸到所述螺桿，所述至少一個第二螺桿旋轉裝置包括在與第一特定角度相反的第二特定角度上與所述螺桿的所述槽部接觸的第二振動器；第二彈簧，所述第二彈簧在特定的壓力上朝向所述螺桿的所述槽部推動所述第二振動器；用于在電啟動時振動所述第二振動器以沿著第二方向旋轉所述螺桿的第二壓電致動器?！泵绹鴮＠鸑o.6,147,435的裝置需要“第一螺桿旋轉裝置”和“第二螺桿旋轉裝置”；它們顯示在圖3中，例如作為組件16a’和16d’(它們包括這樣的第一螺桿旋轉裝置)和作為組件16b’和16c’(它們包括這樣的第二螺桿旋轉裝置)。再次參照美國專利No.6,147,435，當組件16a’和16d’通過超聲振動啟動時，螺桿2被導致在一個方向上旋轉；當組件16b’和16c’通過超聲振動啟動時，螺桿2被導致沿著相反的方向旋轉。
組件16a’/16d’、和16b’/16c’不會同時啟動；這樣做將浪費能量并導致螺桿2保持靜止。
但是，即使當這樣的組件16a’/16d’、和16b’/16c’沒有同時啟動，這也是一種能量的浪費。未活動的組件對仍然與螺桿2上的螺紋鄰接，并這樣導致制動摩擦(drag friction)。
該制動摩擦是美國專利No.6,147,435的裝置的問題。這在所述專利的權利要求2中進行了描述，并且為了一定程度地解決該問題，這樣的專利的裝置是“...當所述第一和第二壓電致動器的一個是電啟動時，非常小量的電流被供給到所述第一和第二壓電致動器的另外一個”。美國專利No.6,147,435的裝置的效率不是很高。

發(fā)明內容
該發(fā)明的目的是提供一種通過超聲振動驅動螺紋軸的機構，所述機構比美國專利No.6,147,435提供了大體上更高的效率同時提供了比通過相似尺寸的其它超聲電動機典型地實現(xiàn)得更高的精度、力和速度。
根據該發(fā)明，提供了一種用于驅動螺紋軸組件的裝置，所述螺紋軸組件包括螺紋軸和與其配合的螺母。所述組件包括用于將所述螺母進行超聲振動的裝置并由此導致所述軸沿著軸向方向同時旋轉和平移。所述組件也包括用于將軸向力施加到所述軸上的裝置。


本發(fā)明將參照該說明書、所附的權利要求和附圖來進行描述，其中相同的標號表示相同的組件，以及其中圖1-6顯示了包含四個矩形壓電板的電動機，其中圖1是這樣的電動機的透視圖，圖2是這樣的電動機的分解視圖，圖3是這樣的電動機的端視圖，圖4顯示了這樣的電動機的電連接，圖5是沿著圖3的線A-A(30)所取的電動機的橫截面視圖，圖5A顯示了與外預載配合的螺紋的放大視圖(圖5上的47)且電動機關閉，圖5B顯示了電動機操作時的圖5A中的相同的放大視圖，圖6是沿著圖3的線B-B(32)所取的橫截面視圖；圖7-12顯示了包含四個壓電迭層(stacks)的電動機，其中圖7是這樣的電動機的透視圖，圖8是這樣的電動機的分解視圖，圖9是這樣的電動機的端視圖，圖10顯示了這樣的電動機的電連接，圖11是沿著圖9的線A-A(48)所取的橫截面視圖，圖12是沿著圖9的線B-B(46)所取的橫截面視圖；圖13-17顯示了包含四個外電極的壓電管的電動機，其中圖13是這樣的電動機的透視圖，圖14是這樣的電動機的分解視圖，圖15是這樣的電動機的端視圖，圖16顯示了這樣的電動機的電連接，圖17是沿著圖15的線A-A(56)所取的電動機的橫截面視圖；圖18示意顯示了用于圖1的電動機的螺母的軌道運動，顯示了螺紋軸的旋轉和平移；圖19示意顯示了需要產生如圖18所示的運動的電驅動信號；圖20-25顯示了封裝并與線性臺階(linear stages)集成的圖1的電動機的應用，其中圖20是電動機組件的透視圖；圖21是電動機組件分解視圖，圖22是電動機組件的橫截面視圖；圖23A是從圖20反向視圖的電動機組件的透視圖，圖23B是顯示了電動機組件在向前的方向上旋轉和平移的方式的透視圖，圖23C是顯示了電動機組件沿著相反的方向旋轉和平移的透視圖，圖24A顯示了在向前的方向上操作的集成在線性臺階內的電動機組件，圖24B顯示了在相反的方向上操作的集成在線性臺階內的電動機組件，圖25顯示了在三軸臺階系統(tǒng)內集成的電動機組件。
具體實施例方式
在該發(fā)明的一個實施例中，小型超聲線性電動機旋轉導螺桿以產生線性運動。氣缸在超聲范圍內用第一彎曲模式共振頻率支撐螺紋螺母。氣缸和螺母在該共振頻率上通過變換器激勵，導致螺母在氣缸的端部上作軌道運行(orbit)。變換器可以是可以引起諧振的壓電、電致伸縮、靜電、電磁或者任何裝置。至少兩個變換器需要來同時激勵具有正或者負90度相移的氣缸的正交彎曲模式并產生圓形軌道。緊配合螺紋軸安裝在螺母內。彈性軸向載荷通過低摩擦連接件施加到所述軸。螺母在其共振頻率上作軌道運動，軸的慣性保持其對中。螺母的軌道運動產生讓所述軸旋轉的扭矩并產生線性運動。變換器需要至少兩個交流電驅動信號。驅動頻率必須激勵機械頻率并控制相位移實現(xiàn)圓形螺母軌道。驅動信號振幅和持續(xù)時間的調制控制速率。驅動信號之間的相移可以為正或者負，這讓螺母軌道和軸旋轉/平移的方向反過來。該實施例和其它優(yōu)選實施例將更為詳細地參照該說明書的剩余部分進行說明。
為了不限于任何特定的理論，申請人相信他的超聲線性致動器之一的操作原理是圓柱形管的第一彎曲諧振的激勵，這導致所述管的一端或者兩端圍繞圓柱體的軸線作軌道運動并沒有旋轉。在該實施例中，所述管的一端容納螺紋螺母，所述螺紋螺母也圍繞匹配螺紋軸作軌道運動并通過摩擦給予切向力，這樣當其作軌道運動時旋轉所述螺紋軸。螺紋內的摩擦是有用的，因為其直接地驅動所述螺桿。這與傳統(tǒng)的導螺桿驅動形成強烈對比，在傳統(tǒng)的導螺桿上，螺紋接觸摩擦是寄生的并產生扭曲(windup)、游隙和慢響應。使用在該實施例中的螺旋螺紋的另外一個顯著優(yōu)點在于直接將旋轉轉換為平移，具有較大的力學優(yōu)點，這放大了軸向移動并減小了線性速度，并且結果增加了精度。
在該實施例中，在加載路徑之內或者之外的變換器優(yōu)選地用于激勵第一彎曲模式?？梢员皇褂玫淖儞Q器的示例是例如壓電組件和迭層、磁致收縮材料和靜電材料。該列表不包括所有的變換器材料，但是需理解任何可以用于激勵圓柱形管或者相似形狀的塊的第一彎曲諧振并實現(xiàn)管端部的一個或者兩個的軌道運動的這樣的材料或者機構在該專利中得以實施。此處所描述的實施例使用壓電材料但是也可以用恰如上所述的可選變換器材料來實施。
參照圖1至6，在此處所描述的特定實施例中，描述了超聲線性電動機10。在所描述的實施例中，四個矩形壓電板被用于產生超聲振動。在未在圖1中示出的另外的實施例中，其它裝置可以用于產生超聲振動。
如該說明書中所使用那樣，術語超聲指的是在超過20,000赫茲的操作頻率。在一個實施例中，操作頻率至少是大約25,000赫茲。在另外的實施例中，操作頻率至少大約是50,000赫茲。在另外的實施例中，操作頻率是至少大約100,000赫茲。
如該說明書中所使用的那樣，術語線性電動機指的是通過產生力和/或者位移在基本直線上產生運動的致動器?？梢詤⒄绽缑绹鴮＠鸑o.5,982,075(超聲線性電動機)；5,134,334(超聲線性電動機)；5,036,245(超聲線性電動機)；4,857,791(線性電動機)等。這些美國專利的每一個的整個公開此處通過參照并入該說明書。
再次參照圖1-6，并且此處所描述的優(yōu)選實施例中，可以看到具有球形尖部26的螺紋軸12旋轉并產生軸向力和運動。
螺紋軸12優(yōu)選地可移動地設置在殼體14內。螺紋軸12(參看圖5)的長度15優(yōu)選地超過殼體14的長度13至少大約10毫米。在一個實施例中，長度15超過長度13至少25毫米。在另外的一個實施例中，長度15超過長度13至少50毫米。
在一個實施例中，螺紋軸12具有小于大約殼體14的第一自然頻率的0.2倍大小的第一自然頻率。在另外的實施例中，螺紋軸12具有小于大約殼體14的第一自然頻率的0.1倍大小的第一自然頻率。
如此處所使用，術語第一自然頻率指的是振動的第一正常模式的頻率；參看例如McGraw-Hill Dictionary of Scientific and TechnicalTerms，F(xiàn)ourth Edition(McGraw-Hill Book Company，New York，1989)第1253頁。也可以參照Eugene A.Avallone等的”Mark’s StandardHandbook for Mechanical Engineers”(McGraw-Hill Book Company，NewYork，New York，1978)的第5-59至5-70頁。也可以參照美國專利6,125,701；6,591,608；6,525,456；6,439,282；6,170,202；6,101,840等，這些美國專利的每一個的整個公開此處通過參照并入該說明書。
在附圖中所描述的實施例中，螺母16的軌道運動通過提供在平行于軸線中心線的平面內彼此正交作用的兩個正常振動模式而產生，這在圖18中最佳顯示。這兩個振動的正交正常模式通過被啟動變換器(例如板18、20、22和24)和殼體14的交互作用提供；以及這樣的交互作用導致螺母16的軌道運動，這反過來導致螺紋軸12的旋轉和平移。
在一個實施例中，螺母16的第一自然頻率優(yōu)選地至少5倍于電動機組件10的操作頻率。這樣優(yōu)選地螺母16可以基本是剛體。
在一個實施例中，螺紋軸12大體上由不銹鋼的金屬制造。在該實施例中，螺紋軸12與基本上是黃銅的金屬制造的螺紋螺母16配合。
將明顯看出，優(yōu)選地使用螺紋軸12和螺母16的材料的組合，這樣最小化磨損。使得磨損最小化的其它材料的組合也可以使用在本發(fā)明中。
再次參照圖1，將可以看到螺紋軸12包括多個螺紋17，優(yōu)選地是螺旋槽的形式。在一個實施例中，螺紋17具有小于250螺紋每英寸的螺距，優(yōu)選地小于約200螺紋每英寸。在另外的實施例中，螺紋17具有小于約100螺紋每英寸的螺距。在該實施例的一方面中，螺紋17具有從大約40至大約80螺紋每英寸的螺距。
螺紋17優(yōu)選地與螺母16的內螺紋19配合，這在圖18中最佳顯示。在一個優(yōu)選的實施例中，內螺紋19的螺距大體上等于外螺紋17的螺距。
盡管，為了簡單說明的目的，螺紋17、19被顯示完全配合(除了圖5A、5B和18)，優(yōu)選地螺紋17、19之間的直徑間隙小于螺紋17和/或者螺紋19的螺紋深度33/35的約0.5倍。該直徑間隙在圖5A中最佳顯示。用于確定該直徑間隙的裝置是公知的。例如已經參照了美國專利No.6,145,805；5,211,101；4,781,053；4,277,948；6,257,845；6,142,749；等，這些美國專利的每一個的整個公開此處通過參照并入該說明書。也可以參照前述的“Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers”的(“Machine Elements”)的第8-9頁以及下列等等。
參照圖5A，顯示了螺紋17、19之間的配合的一個優(yōu)選模式。如從該圖中所示，螺紋17的每個具有尖部29，螺紋19的每個具有尖部31。此外，螺紋17、19的每個分別具有螺紋深度33、35。
再次參照圖1，并且在此處所描述的優(yōu)選實施例中，將可以看到螺紋軸12的旋轉通過連接到振動殼體14的螺母16的超聲軌道運動產生。在所描述的實施例中，螺母16優(yōu)選地連接到殼體14。這在圖2中最佳顯示。
參照圖2，并且如此處描述的優(yōu)選實施例中，將可以看到螺母16設置在孔11內。螺母16通過傳統(tǒng)的例如壓力配合和/或者粘合裝置等固定在孔11之內。
在如圖1、2所描述的優(yōu)選實施例中，螺母16是圓柱形的螺母。在另外的未示出的實施例中，螺母16是多邊形螺母，可以具有方形形狀、六角形形狀、八邊形形狀等。
再次參照圖1、2，并且在此處所描述的優(yōu)選實施例中，可以看到，多個陶瓷板18以及下列等等連接到殼體14的外側表面37。
優(yōu)選地，陶瓷板18以及下列等等在承受電壓時特別是承受電壓的改變時改變它們的各自長度。如此處所使用，以及如在該說明書中別的地方所描述，這些陶瓷板可以描述為“活動(active)陶瓷板”。在一個實施例中，活動陶瓷板18以及下列等等從包括壓電板、電致收縮板及其混合所構成的組中選擇。為了討論的簡化，至少圖1、2的實施例將參照壓電板來進行描述。
在圖2所描述的實施例中，四個壓電板18、20、22和24粘接到殼體的外側表面37并在在各壓電板上的電極21、23上通過交變電驅動信號激勵時產生螺母16的軌道振動(參看圖4)。
在一個實施例中，只使用了兩個這樣的壓電板板18和20。在另外的實施例中，可以使用8個或者更多個的壓電板，足夠數(shù)目的這樣的板被用于激勵在正交平面39和41內的運動(參看圖2)。
為了表示的簡單，將討論4個壓電板18、20、22和24。這些板優(yōu)選地粘接到殼體14的對應的外表面37，這樣板被完全地與這樣的外表面37相鄰接。
壓電板18以及下列等等通過電極21、23連接到電壓源，如圖4中最佳顯示。如將變得明顯，為了表示的簡捷性，電極21、23的連接只參照壓電板20進行顯示，這被理解為相對其他壓電板形成可比較連接。
參照圖4，以及參照其內描述的優(yōu)選實施例，可以看到所有的四個內側電極23連接到地25。在該實施例中，壓電材料是商業(yè)可獲得的“硬”合成物，該合成物具有較低的介電損耗和較高的去極化(depoling)電壓。這樣，例如，可以使用Morgan Matroc company of Bedsford，Ohio作為“PZT-4”銷售的壓電材料。該優(yōu)選材料典型地具有幾個重要的性能。
這樣，優(yōu)選的材料優(yōu)選地具有在大于約20,000赫茲的頻率上小于大約百分之一的介電損耗系數(shù)，優(yōu)選地，小于約百分之0.5。在一個實施例中，介電損耗系數(shù)在大約20,000赫茲的頻率上是約百分之0.4。
這樣，優(yōu)選的材料具有至少約250pC/N(picoCoulomb/Newton’s)的d33壓電電荷常數(shù)(piezoelectric charge coefficient)，并優(yōu)選地至少約270pC/N。在一個實施例中，優(yōu)選材料具有約285pC/N的d33壓電電荷常數(shù)。
這樣，優(yōu)選材料具有至少約-90pC/N的d33壓電電荷常數(shù)，更為優(yōu)選地，至少約-105pC/N。在一個實施例中，d31壓電電荷常數(shù)是約-115pC/N。
在一個實施例中，優(yōu)選材料是具有至少約2500pC/N的d33壓電電荷常數(shù)和至少約900pC/N的d31壓電電荷常數(shù)的單晶材料。
為了討論一些合適的材料，并且只是說明而不是限制，可以參照例如美國專利No.3,736,532和3,582,540。這些美國專利的每一個的整個公開此處通過參照并入該說明書。
通過進一步顯示，并且在本領域中公知的是，低介電損耗壓電材料對普通技術人員是公知的?？梢詤⒄绽缑绹鴮＠鸑o.5,792,379(低損耗PZT陶瓷合成物)；該美國專利的整個公開此處通過參照并入本說明書。
在一個實施例中，壓電材料是單晶壓電材料。這些材料在本領域中是已知的?？梢詤⒄绽缑绹鴮＠鸑o.5,446,330；5,739,624；5,814,917；5,763,983(單晶壓電變壓器)；5,739,626；5,127,982；等。這些美國專利的每一個的整個公開此處通過參照并入該說明書。
再次參照圖4,并且在此處描述的優(yōu)選實施例中，壓電板18、20、22和24的軸向長度與所施加的電壓(Vx/86和Vy/88)以及d31壓電電荷常數(shù)成比例改變。
如將變得明顯那樣，壓電板18、22和20、24分別成對一起工作，以彎曲殼體14(參看例如圖1、2)并激勵軌道諧振。交變電驅動信號86、88優(yōu)選地沿著電極方向43(poling direction)分別施加到板20、24和18、22。如本領域普通技術人員所公知，電極方向43是其中壓電材料中的偶極(dipole)在制造的過程中對齊的方向。例如可以參照美國專利No.5,605,659(method for poling a ceramic piezoelectric plate)；5,663,606(apparatus for poling a piezoelectric actuator)；5,045,747(apparatus for poling a piezoelectric ceramic)等。這些美國專利的每一個的整個公開此處通過參照并入該說明書。
對于各板對18、22和20、24，電場相對一個板上的電極方向43是正的，相對所述相對板上的電極方向43是負的。驅動信號Vx 86優(yōu)選地施加到板20、24，并立即在一個板上產生膨脹并在相對的板上產生收縮，這樣在平面39(參看圖2)內和在X方向72a/72b(參看圖18)彎曲殼體14。以相似的方式驅動信號Vy 88施加到板18、22并在平面41內(參看圖2)和在Y方向74a/74b內(參看圖18)彎曲殼體14。
與螺紋螺母16相對的殼體端部45優(yōu)選地支撐引導襯套28，所述引導襯套28在襯套內徑和螺紋軸12的外徑之間具有較小的間隙(參看圖2)。螺紋軸12支撐彈性軸向力27(參看圖5、6)，其使用產生較低摩擦的硬扁平表面通過球形球尖部26施加。
在電動機10的操作期間，優(yōu)選地通過球26傳送的軸向力27是從約0.1至約100N(Newton’s)。如將變得明顯那樣，軸向力27優(yōu)選地與輸出驅動力具有相似的大小。
球形球部26(參看圖2)是將螺紋軸12用較低的摩擦扭矩連接到其載荷27(參看圖5)的一個裝置。如本領域中普通技術人員所顯而易見的那樣，可以使用將來自旋轉螺紋軸的運動耦合到移動載荷的其它裝置。這樣，例如可以使用滾動組件軸承，可以使用與螺紋軸12上的扁平表面鄰接的弓形載荷，等?？梢詤⒄绽缑绹鴮＠鸑o.5,769,554(kinematic couplingmethod)；6,325,351(highly damped kinematic coupling for precisioninstruments)等；這些美國專利的每一個的整個公開此處通過參照并入該說明書。
參照圖1、2，與螺紋螺母16相對的殼體14的端部45并入凸緣，所述凸緣是靜止蓋58用的連接點(圖21)。軸12和螺母16上的螺紋螺距將軌道切向力和運動轉換為軸向力和運動。所述螺距可以被選擇以優(yōu)化力的放大、減速、分辨率提高和電源關閉保持力。
參照圖7-12，在此處描述的優(yōu)選實施例中，超聲線性電動機30優(yōu)選地使用四個壓電迭層(stacks)36、40和42(也參看圖7、8)以產生超聲振動。具有球形球尖部26的螺紋軸12旋轉并產生軸向力和運動。所述旋轉通過連接到振動氣缸32的螺紋螺母16的超聲軌道產生。四個壓電迭層36、38、40和42粘接到與螺紋螺母相對的氣缸端部和粘接到基部環(huán)34。四個迭層36以及下列等等使用公知的組件和電學互連方法44構造，內側迭層引線優(yōu)選地一起連接到共同的地35。迭層36以及下列等等的軸向長度與所施加的電壓和d33壓電電荷常數(shù)成比例改變。壓電材料是商業(yè)可獲得的“硬”合成物，該合成物具有較低的介電損耗和較高的去極化電壓。交變電驅動信號86、88連接到各壓電迭層44的外引線并激勵螺母的軌道振動。壓電迭層36、40、38和42分別成對一起工作以旋轉所述管并激勵軌道振動。交變電驅動信號Vx 86和Vy 88分別沿著電極方向43(poling direction)施加到迭層38、42和36、40。對于各迭層對38、42和36、40，電場相對一個迭層上的電極方向43是正的，相對所述相對的迭層上的電極方向43是負的。驅動信號Vx 86優(yōu)選地施加到迭層38、42，并立即在一個迭層上產生膨脹并在相對的迭層上產生收縮；這樣其沿著X方向72a/72b(參看圖18)旋轉所述管。以相似的方式，驅動信號Vy 88施加到迭層36、40，并沿著Y方向74a/74b(參看圖18)移動管的端部。與螺紋螺母16相對的基部環(huán)34支撐引導襯套28，在襯套內徑和螺紋軸12的外徑之間具有較小的間隙。螺紋軸12支撐順應的軸向力27，所述軸向力27使用產生較低摩擦的硬扁平表面通過球形球尖部26施加?；凯h(huán)34是用于靜止蓋58的連接點(圖21)。軸12和螺母16上的螺紋螺距將軌道切向力和運動轉換為軸向力和運動。所述螺距可以被選擇以最優(yōu)化力放大、減速、分辨率提高和電源關閉保持力。
參照圖13-17，超聲線性電動機50使用具有象限電極(quadrantelectrodes)的壓電管54以產生超聲振動。具有球形球尖部26的螺紋軸12旋轉并產生軸向力和運動。所述旋轉通過連接到振動壓電管54的螺紋螺母16的超聲軌道產生。所述管的內徑是連續(xù)電極61，所述電極61接地63，所述管的外徑被分為四個單獨的電極60、62、64和66。壓電材料是商業(yè)可獲得的“硬”合成物，該合成物具有較低的介電損耗和較高的去極化電壓。各電極60、62、64和66之下的壓電管的一部分的軸向長度與所施加的電壓和d31壓電電荷常數(shù)成比例改變。電極部分60、64和62、66分別成對一起工作以彎曲管54并激勵軌道諧振。交變電驅動信號86、88分別沿著電極方向43(poling direction)施加到板60、64和62、66。對于各電極對60、64和62、66，電場相對一個電極上的電極方向43是正的，相對所述相對的電極上的電極方向43是負的。驅動信號Vx 86施加到電極60、64，并立即在一個電極之下產生膨脹并在相對的電極之下產生收縮；并且這樣其在X方向72a/72b(參看圖18)上彎曲所述管。以相似的方式，驅動信號Vy 88施加到板62、66并沿著Y方向74a/74b(參看圖18)彎曲管。
與螺紋螺母16相對的管端部被粘接到基部凸緣52并保持引導襯套28，襯套內徑和螺紋軸的外徑之間具有較小的間隙。螺紋軸12支撐順應的軸向力27，所述軸向力27通過球形球尖部26使用產生低摩擦的硬扁平表面施加。基部凸緣是靜止蓋58用的連接點(圖21)。軸12和螺母16上的螺紋螺距將軌道切向力和運動轉換為軸向力和運動。所述螺距可以被選擇以優(yōu)化力的放大、減速、分辨率提高和電源關閉保持力。
參照圖18、19，顯示了電動機10(參看圖1)操作和對應的用于使得這樣的操作有效的驅動信號86、88。壓電板對一起工作，一個膨脹70同時另外一個收縮69，以彎曲所述殼體。交變驅動信號Vx 86和Vy 88優(yōu)選地是正弦，具有相同的振幅90/91，和90度相移92以產生圓形軌道。正相移92產生正螺母16軌道方向和正軸12旋轉96/平移98，同時負相移92產生負軌道方向和負軸旋轉/平移。對于一個旋轉方向，電動機的單個軌道循環(huán)和對應的驅動信號振幅90、91順序以90度增量76、78、80、82和84被顯示。圓柱形彎曲和軌道運動被顯示在X 72a/72b和Y 74a/74b方向上。螺母在一個位置上接觸螺紋軸的側面，在相對側上具有間隙73b(參看圖5B)，由此所述接觸給予切向力和運動，所述切向力和運動導致軸12對于各軌道循環(huán)旋轉96和平移98較小的量。每循環(huán)的旋轉和平移量依賴于許多因素，包括軌道振幅、作用在所述軸上的力27的大小，以及摩擦系數(shù)和螺紋表面拋光。如果在螺母和軸的接觸73a之間實現(xiàn)零滑動條件，每周循環(huán)的運動名義上與螺紋之間的直徑間隙成比例。通常，當驅動振幅90、91增加時，軌道直徑增加，軸12和螺母16之間的法向接觸力增加，滑動減小，速度增加，和扭矩/力增加。
超聲頻率是周期的倒數(shù)(參看圖19的周期94a和94b)；這樣的超聲頻率優(yōu)選地對兩個信號相同并與殼體14的第一彎曲共振頻率匹配。
參照圖20-25，電動機組件100是具有蓋58和滾花旋鈕102的整體電動機(integrates motor)10。螺紋軸112設置在電動機10之內。如圖21中最佳所示，螺紋軸112與螺紋軸12相似(參看圖1)但是不同在于具有一體連接到其上的平滑主軸113。主軸113適于連接到滾花旋鈕102。蓋58在凸緣45處連接到電動機10。滾花旋鈕102隨著軸112在不接觸蓋58的情況下旋轉和平移。
圖21是電動機組件100的分解視圖。圖22是電動機組件100的橫截面視圖。
圖23A、23B和23C顯示了電動機組件100。圖23A是從圖20反向的電動機組件100的透視圖。圖23B顯示了電動機組件100的操作，把手102和軸112逆時針旋轉并沿著箭頭105的方向平移。通過比較，圖23C顯示了電動機組件100的操作，把手102和軸112逆時針107旋轉，并沿著箭頭109的方向平移。
如明顯可見，并為了表示的簡化，至電動機組件的不同部件的電連接的物理裝置從圖中省略。
如將變得明顯那樣，不是通過電動裝置來移動這樣的電動機組件100或者除了通過電動裝置來移動這樣的電動機組件100之外，滾花旋鈕102的存在允許通過手工裝置來移動電動機組件100。這樣，例如，所述組件100可以用作將給予用戶收工調整的傳統(tǒng)裝置和電學自動調整的額外的裝置的測微計驅動替換件。
在一個實施例中(未示出)，滾花旋鈕102機械地連接到外部電動機以考慮到所述組件的機械移動的第二裝置。
圖24A、24B顯示了包括可操作地連接到線性平移臺階104a/104b的電動機組件100的可調節(jié)線性臺階106。在該實施例中，電動機組件100的蓋58連接到底部臺階部104b，球26與頂部臺階部104a接觸。如將變得明顯那樣，當滾花旋鈕102順時針地在方向103上移動時，產生箭頭105方向的線性運動。反過來，當滾花旋鈕102在方向107上逆時針地運動時，產生箭頭109方向上的線性運動。
在一個實施例中，在圖24A、24B中示意顯示那樣，包括銷115和116(顯示為點線外輪廓)的彈簧組件111沿著箭頭109的方向偏壓平移臺階104a/104b。在所描述的實施例中，銷115連接到組件的頂部、可移動部104a，銷116連接到組件的靜止底部104b。如將變得明顯那樣，彈簧組件111可以用于產生軸向力27(參看圖5、6)。
圖25是能夠沿著X、Y和Z軸移動其臺階106a、106b和106c的微操縱器120的透視圖。
盡管本發(fā)明參照了具有一定程度的特定性的其優(yōu)選形式進行了描述，但是可以理解，所述優(yōu)選形式的本公開可以對結構的細節(jié)進行改變，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對部分進行不同的組合和布置。
在該說明書的前述部分中，描述了驅動包括具有旋轉軸的螺紋軸和與其配合的螺紋螺母的螺紋軸組件的裝置，其中所述組件包括用于將所述螺紋螺母進行超聲振動的裝置，并由此導致所述軸沿著軸向方向同時旋轉并平移。如將變得明顯那樣，可以制造包括導致所述螺紋軸組件振動的裝置的可比裝置，由此導致所述螺紋螺母同時旋轉和平移。
權利要求
1.一種用于驅動包括具有旋轉軸的螺紋軸和與其配合的螺紋螺母的螺紋軸組件的裝置，其中a.所述組件包括用于將所述螺紋螺母進行超聲振動并由此導致所述螺紋軸在軸向方向上同時旋轉和平移的裝置；b.所述螺紋軸可操作地連接到載荷，和c.所述組件也包括用于將軸向力施加到所述螺紋軸的裝置。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述組件包括用于將所述螺紋螺母在軌道方向上移動的裝置。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述螺紋螺母大體上是剛體。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中，還包括其中設置所述螺紋軸組件的殼體。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中，所述螺紋螺母連接到所述殼體。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中，所述殼體在超過每秒20,000循環(huán)中具有第一彎曲共振頻率，其中第一彎曲模式位于平行于所述旋轉軸的平面內。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中，所述殼體具有等同于所述第一彎曲共振頻率的第二彎曲共振頻率，并且其中第二彎曲模式位于垂直于所述第一彎曲模式的平面內。
8.根據權利要求6所述的裝置，其中，還包括在至少20,000軌道每秒的頻率上用于所述螺母進行軌道運動的裝置。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中，還包括用于將所述螺紋軸沿著大體上平行于所述旋轉軸的方向移動的裝置。
10.根據權利要求8所述的裝置，其中，還包括用于旋轉所述螺紋軸同時沿著大體上平行于所述旋轉軸的方向移動所述螺紋軸的裝置。
11.根據權利要求7所述的裝置，其中，用于軌道運動所述螺紋螺母的所述裝置包括用于將電能轉換為力的至少兩個變換器。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述變換器從壓電變換器、電致收縮變換器、磁致收縮變換器、靜電變換器、電磁變換器及其混合所構成的組中選擇。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中，所述變換器是壓電變換器。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中，所述壓電變換器是壓電板。
15.根據權利要求14所述的裝置，其中，所述壓電板包括在大于約20,000赫茲的頻率上具有小于約百分之一的介電損耗系數(shù)的壓電材料。
16.根據權利要求14所述的裝置，其中，所述壓電板包括在大于約20,000赫茲的頻率上具有小于約百分之0.5的介電損耗系數(shù)的壓電材料。
17.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述螺紋軸包括具有螺紋螺距從約40至約250螺紋每英寸的多個螺紋。
18.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述螺紋軸設置在殼體之內，以及其中所述螺紋軸連接到旋鈕。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中，還包括連接到所述螺紋軸和所述殼體的可移動臺階。
20.一種裝置，包括至少兩個可移動臺階，所述可移動臺階彼此鄰接，其中所述至少兩個可移動臺階的每個包括權利要求19的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于驅動包含具有旋轉軸的螺紋軸和與其配合的螺紋螺母的螺紋軸組件的裝置。將螺紋螺母進行超聲振動導致螺紋軸沿著軸向方向同時旋轉并移動。螺紋軸連接到將軸向力施加到螺紋軸的載荷。
文檔編號H01L41/08GK1879232SQ200480032928
公開日2006年12月13日 申請日期2004年8月10日 優(yōu)先權日2003年9月8日
發(fā)明者大衛(wèi)·亨得森 申請人:新測量科技有限公司