專利名稱：線性超聲波電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按照權(quán)利要求1的前序部分所述的線性壓電超聲波電機(jī)。這種類型的電機(jī)擬用作不同的精密定位的儀器中的驅(qū)動(dòng)裝置，例如用于調(diào)整在小型化照相機(jī)物鏡中、在顯微術(shù)工作臺(tái)中的光學(xué)透鏡，用于定位在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置以及在其他此類機(jī)電式裝置中的寫/讀頭。
背景技術(shù)：
由EP 0 450 919 A1已知一些線性壓電超聲波電機(jī)，它們按照在一個(gè)行波(einer laufenden Welle)的一個(gè)橢圓形諧振器(一個(gè)封閉的波導(dǎo)管)中的激勵(lì)原理運(yùn)行。在該結(jié)構(gòu)的電機(jī)中的超聲波振蕩器由一種非壓電材料制成。為了激勵(lì)一個(gè)行彎波(einer laufenden Biegewelle)，在諧振器上借助于膠接安裝一個(gè)電機(jī)式能量轉(zhuǎn)換器(壓電元件)。為了能夠在諧振器中盡可能有效地激勵(lì)一個(gè)行波，必需的是，在諧振器與壓電元件之間在聲阻方面要盡可能好地構(gòu)成聲學(xué)連接，亦即在壓電元件與諧振器之間的接觸聲阻必須是微小的。這需要例如采用硬的膠合劑。但在壓電陶瓷與諧振器材料之間的大面積的膠接是不可能的。由于兩種材料的不同的熱膨脹系數(shù)，陶瓷可能開裂，另一方面，在壓電超聲波電機(jī)的受功能限定的功率運(yùn)行中，膠合劑在超聲波影響下軟化，這導(dǎo)致聲阻的增高并由此引起的功率損耗增高。諧振器的處于與轉(zhuǎn)子接觸的一側(cè)設(shè)有一些銑出的齒或筋條，它們用于放大彎波的切向分量。這些銑出的部分也不能便宜地進(jìn)行制造。
已知的電機(jī)按此具有環(huán)形振蕩器的很復(fù)雜的構(gòu)造方式并且并不適用于小型化和便宜的大量制造。
此外由US-PS 5,672,930已知一些線性超聲波電機(jī)，它們利用在一個(gè)棒形振蕩器(在一個(gè)敞開的波導(dǎo)管)中一個(gè)行超聲波(einerlaufenden Ultraschallwelle)的激勵(lì)。在這些電機(jī)中，證明不利的是這樣的事實(shí)，即在一個(gè)敞開的波導(dǎo)管中激勵(lì)一個(gè)精確的行超聲波實(shí)際上是不可能的。與激勵(lì)一個(gè)行波同時(shí)，在一個(gè)敞開的波導(dǎo)管中激勵(lì)一個(gè)對(duì)稱駐波，該波對(duì)電機(jī)的摩擦接觸的有效運(yùn)行有不利的影響。這導(dǎo)致摩擦接觸或超聲波電機(jī)本身的強(qiáng)烈發(fā)熱并且導(dǎo)致高的噪聲水平。此外這些電機(jī)需要一個(gè)高的激勵(lì)電壓，在制造中也是昂貴的并且不可能小型化。
按照DE 199 45 042 C2的壓電超聲波線性電機(jī)是最近的解決方案。在這些電機(jī)中，在壓電的板形諧振器中同時(shí)激勵(lì)一個(gè)縱向駐波和彎駐波(eine stehende Longitudinal-sowie Biegewelle)。兩個(gè)波疊加的結(jié)果是，設(shè)置在諧振器上的接合元件得到一種橢圓運(yùn)動(dòng)并由此將該運(yùn)動(dòng)傳遞到一個(gè)被壓緊到接合元件上的球支承的活動(dòng)元件上。在該結(jié)構(gòu)中使用一個(gè)較昂貴的球軸承證明是不利的。在應(yīng)用一個(gè)滑動(dòng)軸承時(shí)，在軸承中產(chǎn)生可與由致動(dòng)器發(fā)展的或通過摩擦接觸傳遞的有效動(dòng)力相比的摩擦損耗。球軸承的必需的應(yīng)用使電機(jī)復(fù)雜化，增大了其結(jié)構(gòu)空間并且提高了其制造成本。此外在采用鋼球軸承時(shí)不可能為非磁性的應(yīng)用設(shè)計(jì)這樣的電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是，縮小線性超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸以及提高其效率。
通過按權(quán)利要求1的特征組合達(dá)到本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是一種在被驅(qū)動(dòng)的元件與其支架之間具有一種線性滑動(dòng)摩擦接觸的線性壓電超聲波電機(jī)，它能夠在被驅(qū)動(dòng)的元件的支架中激勵(lì)超聲波振動(dòng)，同時(shí)降低被驅(qū)動(dòng)的元件與支架之間的摩擦。
在一臺(tái)線性壓電超聲波電機(jī)中，包括一個(gè)超聲波振蕩器和一個(gè)與被驅(qū)動(dòng)的元件處于摩擦作用的摩擦元件，超聲波振蕩器的形式為一塊壓電板或一個(gè)具有聲振動(dòng)發(fā)生器的圓柱部分，摩擦元件設(shè)置在一個(gè)支架中，所述支架構(gòu)成為至少一個(gè)彈性夾具的形式，該彈性夾具包圍被驅(qū)動(dòng)的元件。該夾具固定在超聲波振蕩器上并且由一種導(dǎo)聲的材料制成。
通過被驅(qū)動(dòng)的元件的支架固定在超聲波振蕩器上并由一種導(dǎo)聲的材料制成，由超聲波振蕩器產(chǎn)生的超聲波振動(dòng)在支架中被強(qiáng)烈地隨同激勵(lì)并且被通導(dǎo)。超聲波振動(dòng)在支架中的存在能夠減小在被驅(qū)動(dòng)的元件與支架之間的摩擦力并因此另外需要采用線性球軸承。這簡化了結(jié)構(gòu)、縮小了結(jié)構(gòu)尺寸并且降低了電機(jī)的制造成本。
在電機(jī)的不同的結(jié)構(gòu)實(shí)施中，夾具可以由一根具有圓形橫截面的金屬絲或由一條具有矩形橫截面的金屬帶制成。這能夠使夾具的聲阻更好地匹配于超聲波振蕩器以及能夠精確地調(diào)整被驅(qū)動(dòng)的元件在電機(jī)的振蕩器上的壓緊力。
此外在其他的電機(jī)方案中，被驅(qū)動(dòng)的元件可以制成為一個(gè)具有一個(gè)扁平的表面的矩形的、三角形的、圓形的或半圓形的桿的形式。
這能夠利用被驅(qū)動(dòng)的元件的不同的制造技術(shù)并因此對(duì)于相應(yīng)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)需要的制造精度。
在本發(fā)明的超聲波電機(jī)的另一實(shí)施形式中，被驅(qū)動(dòng)的元件可以構(gòu)成為一個(gè)固定的導(dǎo)軌，超聲波振蕩器與在其上設(shè)置的支架一起可以相對(duì)于該導(dǎo)軌移動(dòng)。
這擴(kuò)大本發(fā)明的電機(jī)的使用范圍，因?yàn)殡姍C(jī)可設(shè)計(jì)為一個(gè)可沿一個(gè)導(dǎo)軌移動(dòng)的滑架的形式。


以下借助各實(shí)施例以及附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明。其中圖1超聲波電機(jī)的一種實(shí)施形式的透視圖；圖2、3電機(jī)的側(cè)視圖；圖4一塊壓電板形式的第一振蕩器方案；圖5一個(gè)圓柱外殼的一部分的形式的第二振蕩器方案；圖6振蕩器支架的各實(shí)施方案；圖7被驅(qū)動(dòng)的元件的各種方案；圖8具有金屬帶制成的支架的超聲波電機(jī)；圖9具有一個(gè)圓柱外殼的一部分的形式的振蕩器的電機(jī)；圖10具有兩個(gè)被驅(qū)動(dòng)的元件的電機(jī)；
圖11具有固定的被驅(qū)動(dòng)的元件的電機(jī)；圖12本發(fā)明的電機(jī)的一種示例性應(yīng)用，以及圖13本發(fā)明的電機(jī)的電路。
具體實(shí)施例方式
在圖1、2、3中所示的本發(fā)明的超聲波電機(jī)包括超聲波振蕩器1，它經(jīng)由導(dǎo)聲的底座3設(shè)置在一個(gè)支架2中。超聲波振蕩器1例如構(gòu)成為一塊包括一些聲振動(dòng)發(fā)生器5的壓電板4。在壓電板4處或上設(shè)置摩擦元件6，該摩擦元件與被驅(qū)動(dòng)的元件8的摩擦面7處于摩擦作用。
按照本發(fā)明的電機(jī)的不同的方案，可以在壓電板4上設(shè)置一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)摩擦元件6，如由圖4、位置9或10顯而易見的那樣。
振蕩器1可以構(gòu)成為一個(gè)圓柱外殼31的一部分，該圓柱外殼包括在其上設(shè)置的發(fā)生器5以及一個(gè)或兩個(gè)摩擦元件6，如其在圖5中所示。
聲振動(dòng)發(fā)生器5包括一個(gè)激勵(lì)電極11、一個(gè)共同電極12以及板4的位于其間的壓電陶瓷。
被驅(qū)動(dòng)的元件8設(shè)置在特殊的支架13中，該支架構(gòu)成為一個(gè)包圍該元件的夾具或一個(gè)卡箍的形式(見圖6)。
夾具13由一種導(dǎo)聲的材料制成，例如由一種具有圓形的或矩形的橫截面的金屬絲、金屬帶制成(圖6中位置14、15、16)。作為支架13的材料，可以例如采用經(jīng)熱處理的鋼和青銅。
被驅(qū)動(dòng)的元件8可以是一個(gè)具有矩形的、三角形的、圓形的、半圓形的橫截面帶一個(gè)平面表面的桿的形式，如其在圖7中，位置17、18、19、20所示。作為用于被驅(qū)動(dòng)的元件的材料，可以使用金屬或陶瓷，例如經(jīng)熱處理的碳鋼、氧化鋁、氧化鋯、氮化硅等材料。
支架13牢固地固定在振蕩器板4的表面處或上。為此支架13的各末端21(圖6)通過釬焊(圖3)或借助一種固體的環(huán)氧樹脂膠合劑的粘結(jié)(圖8)材料鎖合地固定到電極11、12上。
圖9中示出一臺(tái)本發(fā)明的超聲波電機(jī)，它包括一個(gè)圓柱外殼31的一部分的形式的振蕩器1。
圖10示出本發(fā)明的電機(jī)的一種結(jié)構(gòu)方案，它包括兩個(gè)被驅(qū)動(dòng)的元件8，它們通過一個(gè)機(jī)械橋23相互連接。
在電機(jī)的另一方案中(見圖11)，被驅(qū)動(dòng)的元件8可以借助一個(gè)支架24相對(duì)于機(jī)器殼體(未示出)固定設(shè)置。在該方案中，被驅(qū)動(dòng)的元件構(gòu)成為一個(gè)導(dǎo)軌25的形式。在這種情況下，振蕩器1設(shè)置成與支架26一起可相對(duì)于導(dǎo)軌移動(dòng)，待移動(dòng)的元件固定在支架26上(未示出)。
在電機(jī)的另一種結(jié)構(gòu)方案中，在被驅(qū)動(dòng)的元件8上設(shè)置一個(gè)光學(xué)透鏡27(見圖12)，以便提供一個(gè)用于自動(dòng)聚焦的裝置，例如用于一個(gè)攝影移動(dòng)電話(Photo-Mobilphone)。
圖11示出本發(fā)明的電機(jī)的一個(gè)電路圖，包括電激勵(lì)源28。該電路包括一個(gè)用以切斷電源電壓的開關(guān)29以及一個(gè)用以轉(zhuǎn)換被驅(qū)動(dòng)的元件的運(yùn)動(dòng)方向的開關(guān)30。
所示的本發(fā)明的超聲波電機(jī)具有以下運(yùn)行方式。
在操縱開關(guān)29時(shí)(圖13)，聲振動(dòng)發(fā)生器5的電極11、12被施以電激勵(lì)源28的交流電壓。交流電壓的頻率此時(shí)等于振蕩器1的工作頻率。激勵(lì)電壓激勵(lì)發(fā)生器5，由此在振蕩器中產(chǎn)生一個(gè)聲駐波(eineakustische stehende Welle)。設(shè)置在振蕩器的長端面上的并壓緊到摩擦面7上的接合元件6開始振動(dòng)，借此使被驅(qū)動(dòng)的元件8運(yùn)動(dòng)。此時(shí)接合元件的運(yùn)動(dòng)軌跡可以是一個(gè)橢圓、一個(gè)圓或一條直線，其與端面形成一個(gè)角度。該運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀取決于振蕩器的幾何尺寸，這些幾何尺寸本身決定激勵(lì)的駐波的類型。
位于電極11、12表面上的各點(diǎn)以與其下面的振蕩器板4的各點(diǎn)相同的振幅振動(dòng)。由此高頻的振動(dòng)也在固定在電極11、12的支架13上傳播(見圖1至3)。由于支架13由一種導(dǎo)聲的材料制成，它就構(gòu)成了一個(gè)用于超聲波的波導(dǎo)管。由于支架的特殊的彎曲的形狀(見圖6)，在其中不僅存在縱向振動(dòng)而且存在彎曲振動(dòng)。此外由于在振蕩器1與支架13之間的分級(jí)式的過渡，支架的振幅產(chǎn)生了放大。支架13的振動(dòng)導(dǎo)致在其與被驅(qū)動(dòng)的元件之間的摩擦損耗的降低。
在具有兩個(gè)摩擦元件、兩個(gè)被驅(qū)動(dòng)的元件8以及兩個(gè)支架(圖10)(圖4中，位置10)的電機(jī)的方案中，在兩支架中發(fā)生了摩擦力的降低。
在本發(fā)明的電機(jī)中，可以使用被驅(qū)動(dòng)的元件的不同的實(shí)施形式。圖7中示出了若干實(shí)施例。
振蕩器1以圓柱外殼的一部分的形式(圖5、圖9)的實(shí)施形式便于本發(fā)明的電機(jī)在圓柱形狀的儀器中、例如在物鏡中的應(yīng)用。
被驅(qū)動(dòng)的元件8以一個(gè)導(dǎo)軌25的形式的實(shí)施形式使電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)在圖10中所示的可移動(dòng)的滑塊。
本發(fā)明的電機(jī)在一個(gè)物鏡(圖10)或在一個(gè)其他的此類具有多個(gè)可調(diào)的透鏡的光學(xué)儀器中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)沿共同軸線徑向設(shè)置每一單個(gè)的電機(jī)。這簡化了整個(gè)結(jié)構(gòu)并縮小了儀器的結(jié)構(gòu)尺寸。
例如由鈹青銅制成的支架13和由氧化鋁的制成的被驅(qū)動(dòng)的元件8的制造能夠?qū)崿F(xiàn)一種非磁性的線性電機(jī)的結(jié)構(gòu)。
在多個(gè)樣機(jī)上實(shí)施本發(fā)明的電機(jī)的功能實(shí)驗(yàn)。這樣，以振蕩器1的幾何尺寸為18×8×3mm3和一個(gè)由鈹青銅制造的直徑為0.5mm的支架13制成一臺(tái)超聲波電機(jī)。作為被驅(qū)動(dòng)的元件8，使用一根直徑為3mm的由淬火鋼制成的桿。為了激勵(lì)，使用一個(gè)特別開發(fā)的交流電壓為3.6V的激勵(lì)源28。由電機(jī)獲得的電流為0.15mA。在功能實(shí)驗(yàn)過程中，在位移20mm時(shí)，電機(jī)顯示660000運(yùn)動(dòng)循環(huán)的功能持續(xù)時(shí)間。電機(jī)的功能持續(xù)時(shí)間按推算意味著約18年的使用期限。
附圖標(biāo)記清單1 超聲波振蕩器2 支架3 隔聲的底座4 壓電板5 聲振動(dòng)發(fā)生器6 摩擦元件7 被驅(qū)動(dòng)的元件的摩擦表面8 被驅(qū)動(dòng)的元件9 說明振蕩器1結(jié)構(gòu)的圖10 說明振蕩器1結(jié)構(gòu)的圖11 激勵(lì)電極12 共同電極13 被驅(qū)動(dòng)的元件8的支架14 支架13的結(jié)構(gòu)方案15 支架13的結(jié)構(gòu)方案16 支架13的結(jié)構(gòu)方案17 被驅(qū)動(dòng)的元件8的結(jié)構(gòu)方案18 被驅(qū)動(dòng)的元件8的結(jié)構(gòu)方案19 被驅(qū)動(dòng)的元件8的結(jié)構(gòu)方案20 被驅(qū)動(dòng)的元件8的結(jié)構(gòu)方案21 支架13的末端22 釬焊錫滴23 電橋24 導(dǎo)軌25的支架25 導(dǎo)軌26 待移動(dòng)的元件的支架27 光學(xué)透鏡28 電激勵(lì)源29 開關(guān)30 運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換開關(guān)31 圓柱外殼的部分
權(quán)利要求
1.線性壓電超聲波電機(jī)，包括一個(gè)超聲波振蕩器和一個(gè)與被驅(qū)動(dòng)的元件處于摩擦接觸的摩擦元件，超聲波振蕩器的形式為一塊壓電板或一個(gè)壓電元件及一些用于產(chǎn)生聲振動(dòng)的發(fā)生器的圓柱外殼的一部分，其特征在于，被驅(qū)動(dòng)的元件(8)由一個(gè)形式為至少一個(gè)彈性夾具或卡箍的支架(13)包圍接合，其中支架(13)的各末端(21)材料鎖合地固定在超聲波振蕩器上并且支架(13)由一種導(dǎo)聲的材料制成。
2.按照權(quán)利要求1所述的線性超聲波電機(jī)，其特征在于，支架(13)由具有圓形橫截面的金屬絲或具有矩形橫截面的金屬帶制成。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的線性超聲波電機(jī)，其特征在于，被驅(qū)動(dòng)的元件(8)具有一種矩形的、三角形的、圓形的或半圓形的橫截面的桿的形狀并且具有一個(gè)平面的摩擦面(7)。
4.按照上述權(quán)利要求之一項(xiàng)所述的線性超聲波電機(jī)，其特征在于，被驅(qū)動(dòng)的元件(8)為一固定的導(dǎo)向元件(25)，超聲波振蕩器與在其上設(shè)置的支架(13)一起相對(duì)于該導(dǎo)向元件移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種線性壓電超聲波電機(jī)，包括一個(gè)超聲波振蕩器(1)以及一個(gè)與被驅(qū)動(dòng)的元件(8)處于摩擦作用的摩擦元件(6)，超聲波振蕩器的形式為一塊壓電板(4)或具有一些聲振動(dòng)發(fā)生器(5)的圓柱外殼(3)的一部分，摩擦元件設(shè)置在一個(gè)支架中。按照本發(fā)明，所述支架構(gòu)成至少一個(gè)彈性夾具(13)的形式，該彈性夾具包圍被驅(qū)動(dòng)的元件和固定在超聲波振蕩器上并且由一種導(dǎo)聲的材料制成。
文檔編號(hào)H01L41/09GK101048882SQ200580036995
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月15日
發(fā)明者W·韋什紐斯基, A·韋什紐斯基 申請(qǐng)人:物理設(shè)備(Pi)兩合公司