超聲致動器的制作方法

DE102009049719A1已經公開了一種通用超聲致動器。對該超聲致動器進行配置，其方式為使得由此可以實現所謂的粘滑驅動，即，一種粘滯階段和滑移階段永久性交替的驅動。在粘滯階段期間(其中，由于現有的摩擦接觸，待驅動元件連同被安排在超聲致動器上的摩擦元件一起被移動)，在由摩擦元件的移動所定義的方向上存在所述待驅動元件的實際位移或移動。在隨后的滑移階段，摩擦元件在與粘滯階段期間的移動方向基本相反的方向上進行移動。由于這種向后移動在粘滯階段期間發生地明顯快于向前移動，因此待驅動元件由于其慣性只能在非常受限的程度上跟隨這種快速移動，并且因此，在滑移階段期間，待驅動元件在與驅動方向相反的方向上只有很小的移動。

在從現有技術中已知的超聲致動器中，一個摩擦元件或多個摩擦元件被安排在主表面之一上，所述主表面就表面面積而言是最大的，并且因此，在由于適當的電致動而導致超聲致動器形變(其中，所述形變基本上發生在板狀超聲致動器的平面中)的情況下，所述摩擦元件或所述多個摩擦元件基本上平行于相應的主表面移動。以此方式，相應的粘滑驅動在從現有技術中已知的超聲致動器中是可實現的，在所述粘滑驅動中，摩擦元件必須在基本上平行于待驅動元件表面的方向上進行移動。

然而，粘滑驅動由于其原理而具有一些缺點。在本上下文中，首先應當被列出的是待驅動元件在滑移階段期間的上述移動，所述移動與實際驅動方向相反，并且因此是寄生的。另一個缺點在于相對較低的驅動力。

因此，本發明的目的是提供一種超聲致動器，通過所述超聲致動器，關于從現有技術中已知的超聲致動器可以實現更有效的驅動。

這一目標是通過如權利要求1所述的超聲致動器來實現的，此權利要求之后的從屬權利要求至少包括有利配置和發展。

因而，超聲致動器被當做一個起始點，所述超聲致動器由極化壓電材料采用單層或多層扁平矩形板的形式制成，所述扁平矩形板具有就表面面積而言最大的兩個主表面以及將所述主表面彼此連接的至少四個側表面。此超聲致動器的厚度T由主表面之間的法線距離來定義。在一個主表面和與其相反安排的另一個主表面兩者上，超聲致動器的至少一個層分別包括兩個彼此相反安排的三角形電極，所述電極通過對角延伸的分離區彼此間隔開。術語“彼此相反安排”在本上下文中應當被理解為意指在電極所在的平面中彼此相反安排。一個主表面的這兩個電極被安排成與另一個主表面的這兩個電極偏移90°。根據本發明的超聲致動器的特征在于，被彼此間隔開并且被提供用于接觸有待由超聲致動器驅動的至少一個元件的兩個摩擦元件被安排在所述側表面中的至少一個側表面上。

當僅向安排在其中一個主表面上的電極施加電壓時，在超聲致動器中生成聲學形變駐波的第二模式，所述駐波沿著另一個、相反主表面的分離區傳播，其中，聲學形變駐波的傳播使得安排在其中一個側表面上的這兩個摩擦元件進行移動(尤其是橢圓形移動)，適合于驅動可以與摩擦元件接觸的待驅動元件。通過摩擦元件的這種(驅動)移動完成了驅動，其中，沒有待驅動元件的寄生移動。

如果摩擦元件各自被安排在側表面的與相鄰側表面鄰接的區域內，則可能是有利的。

如果摩擦元件以其與相鄰側表面齊平端接的方式被安排在所述側表面上，則同樣可能是有利的。

如果超聲致動器總體上具有被安排在相反側表面上的四個摩擦元件，則同樣可能是有利的。

此外，如果超聲致動器是多層的并且具有多個極化的且壓電陶瓷材料的層，相鄰層的極化方向不相同并且優選地彼此相反，則可能是有利的。

另外，如果所述厚度T小于側表面的長度的三分之一并且大于同一側表面的長度的二十分之一，則可能是有利的。

采用示意方式而非比例方式：

圖1示出了超聲電機的分解視圖，所述超聲電機包括根據本發明的超聲致動器；

圖2在示意圖12中以根據本發明的超聲致動器的上側視圖示出了所述超聲致動器的透視圖；并且在示意圖13中以根據示意圖12的超聲致動器的下側視圖示出了所述超聲致動器；

圖3示出了根據本發明的具有多層設計的超聲致動器的透視示意圖；

圖4示出了根據圖3的超聲致動器的分解視圖；

圖5示出了關于根據本發明的超聲致動器的電致動可能類型的框圖；

圖6示出了關于根據本發明的超聲致動器的電致動的另外可能類型的框圖；

圖7示出了用于解釋根據本發明的超聲致動器的操作原理的示意圖34和35；

圖8示出了示意圖36，所述示意圖示出了根據本發明的超聲致動器在根據圖7中的示意圖34的電致動情況下的形變的模擬；并且示意圖37示出了根據本發明的超聲致動器在根據圖7中的示意圖35的電致動情況下的形變的模擬；

圖9示出了根據本發明的超聲致動器的摩擦元件在單相致動以及與有待由超聲致動器驅動的元件對應接合或接觸條件的情況下的軌跡；

圖10示出了超聲電機的另一個實施例，所述超聲電機包括根據本發明的超聲致動器。

圖1示出了超聲電機，所述超聲電機包括根據本發明的超聲致動器1，后者被實施為壓電、正方形板3，超聲致動器充當波導諧振器2。兩個間隔開的摩擦元件被安排在其側表面之一上，這形成了端面4。摩擦元件5是長方體并且所述側表面之一與所述板3的相應側表面6重合，使得所述兩個側表面彼此齊平端接。兩個彈簧元件7被安排在另一個、相反的端面4上，所述彈簧元件將超聲致動器或其兩個摩擦元件5按壓在待驅動元件9的摩擦表面8上，所述待驅動元件以可移動方式由采用滾珠軸承形式的軸承元件10安裝。彈簧元件7被支撐在框架11上，軸承元件10也被安裝于所述框架上。

圖2在示意圖12中以根據本發明的超聲致動器的上側視圖示出了所述超聲致動器，而圖2的示意圖13以其下側視圖示出了同一個超聲致動器。

超聲致動器具有長度L、高度H和厚度T。在當前情況下，高度H等于長度L，即，板3或超聲致動器1是正方形。然而，還可以考慮高度H不明顯(即，≤10％)不同于長度L。在這種情況下，所述板可能具有矩形形狀。厚度T可以在L/3＞T＞L/20的范圍中變化，其中，所述厚度由這兩個主表面在其表面法線方向上的相互距離所定義。

這兩個摩擦元件5在壓電板3的形成端面4的側面之一上被固定靠近兩個側表面6。

超聲致動器1具有用于生成聲學駐波的兩個發生器14和15。發生器14包括兩個三角形電極16和17以及壓電材料層18的與電極16和17相鄰并在所述板3的厚度方向上與這些電極鄰接的一部分。這里，電極16和17被安排在壓電板3的主表面19上。

發生器15還包括兩個三角形電極20和21以及壓電材料層18的與電極20和21相鄰并在所述板3的厚度方向上與這些電極鄰接的一部分。電極20，21被安排在壓電板3的與主表面19相反的另一個主表面22上。

壓電板3或層18的壓電材料分別垂直于電極16和17以及20和21被極化。這里，指針p表示圖2中的極化方向。

電極16與17以及電極20與21各自以隔離距離23和24彼此分離，所述隔離距離以對角不同(即，相反)的方式被定向，所述隔離距離被安排成平行于表面19和22的不同方向的對角線25和26。

電極16與17以及電極20與21都分別具有饋線27和28以及29和30，用于將所述電極電連接至電激勵裝置(圖2中未示出)。

圖3以許多層或多層結構示出了根據本發明的超聲致動器的結構實施例。

在超聲致動器1的本實施例中，每個聲學駐波發生器14和15各自由交替的三角形電極對17和18以及20和21、以及其間的壓電材料層18構成。電極17和18以及20和21、以及壓電陶瓷材料層18在壓電板3的內部被引入到其間，并與波導諧振器2的壓電板3的主表面19和22平行。

在圖3的詳細示意圖的基礎上，可以識別出鄰近的壓電材料層18的極化方向彼此相反，其中，對應的極化方向總是垂直于電極而延伸。

在分解視圖中，圖4根據圖3以多層結構闡明了超聲致動器的(內部)結構。

這里，每個電極16具有連接27，每個電極17具有連接28，每個電極20具有連接29，并且每個電極21具有連接30。

就結構而言，根據本發明的超聲致動器被設計的方式為使得發生器14和15被安排在彼此內，其中，波導諧振器2的壓電陶瓷板3的壓電陶瓷總量被用在用于生成聲學駐波的各個發生器14或15中。

在框圖中，圖5示出了根據本發明的超聲致動器與單相電激勵裝置31的可能電連接。這里，電激勵裝置31為交流電壓U1提供頻率fo，聲學對角形變駐波的第二模式以所述頻率生成在超聲致動器1的波導諧振器2內。

針對電壓U1到超聲致動器1的電極16和17或者電極20和21的交替連接，電激勵裝置31配備有轉換開關32。

圖6示出了根據本發明的超聲致動器1與雙相電激勵裝置33的可能電連接的框圖。這里，電激勵裝置33為電壓U1和電壓U2提供相同的頻率fo以及電壓U1與U2之間的相移

圖7的示意圖34和35用于解釋根據本發明的超聲致動器的操作原理。

當把電壓U1施加到發生器14(根據圖7的示意圖34)的電極16和17時，電流I流經電容Co1和電容Co2。電容Co1形成于電極16與電極20和21的一部分之間，而電容Co2形成于電極17與電極20和21的一部分之間。電流造成壓電陶瓷材料在壓電板3的電極16下的形變+S以及壓電陶瓷材料在電極17下的反相形變-S。

因此，聲學對角形變駐波的第二模式生成在波導諧振器2中，所述形變駐波沿著壓電陶瓷板3的對角線26傳播。這里，圖8的示意圖36和37示出了兩個最大形變相位。

當把電壓U1施加到發生器15的電極20和21時，電流I流經電容Co3和電容Co4。電容Co3形成于電極20與電極16和17的一部分之間，而電容Co4形成于電極16和17的一部分與電極21之間。此電流造成壓電陶瓷材料在電極20下的形變-S以及壓電陶瓷材料在電極21下的反相形變+S。

因此，聲學對角形變駐波的第二模式生成在波導諧振器2中，所述形變駐波沿著壓電陶瓷板3的對角線25傳播。

由于聲學對角形變駐波在超聲制動器1中的傳播，摩擦元件5以及點38和39在僅被定向在一個方向上的閉合軌跡40和41上移動(如圖9所描述)。

由于摩擦元件5與待驅動元件9的摩擦層或摩擦表面8的摩擦相互作用，超聲致動器1經由摩擦元件將形變移動傳遞至待驅動元件，其中，待驅動元件的驅動方向上的移動組件向待驅動元件施加相應的驅動力。

通過致動所述轉換開關32，由于待驅動元件9的移動方向發生改變(即，反轉)，激勵電壓U1被從一個發生器14或15的電極施加到另一個發生器15或14的電極。

在根據本發明的超聲致動器的單相刺激或激勵的情況下，摩擦元件5的軌跡40和41就其形狀而言稍微不同于彼此；然而，由于點38和39在不同時間接觸摩擦表面8，這對于摩擦接觸的效率沒有影響。

在根據本發明的超聲致動器的雙相刺激或激勵的情況下，關于摩擦元件5的軌跡40和41的形狀的不同可能并不顯著，電壓振幅U1和U2之比以及相移受到適當的影響。

在根據本發明的超聲致動器的雙相激勵的情況下，相移角度的反轉帶來了待驅動元件9的移動方向的改變。

圖10示出了超聲電機，所述超聲電機包括根據本發明的超聲致動器，其上安排有四個摩擦元件，所述摩擦元件被安排在壓電板3的兩個相反的端面4處。