专利名称：超声导螺杆电动机的制作方法
技术领域：
一种小型超声线性电动机组件，所述组件包括螺纹轴和与其配合的螺母。
背景技术：
使用压电电致伸缩的、静电的或者电磁技术的变换器(transducer)广泛用于纳米级的精确定位。在压电装置的情况下，陶瓷形成为电容器，所述电容器在充电和放电时改变形状，产生力变换器或者位置致动器。当用作位置致动器时，压电陶瓷的形状改变大致与所施加的电压成比例。压电致动器的范围限制到大约对应几十毫米的典型冲程长度(strokelength)的陶瓷长度的百分之0.1。当压电致动器的高硬度(stiffness)和纳米精度非常有用时，对于许多应用而言需要更大的冲程。
已经开发了多种压电电动机设计，来“校正”小的陶瓷形状改变并产生更大的冲程。
PZT步进电动机在美国专利No.3,902,084中进行了描述，该美国专利的整个公开此处并入到该说明书中。该电动机使用夹紧-延伸-夹紧-收缩操作顺序来一起增加许多较短的PZT致动器循环。该步进线性致动器在从DC到几个千赫的频率上操作，这产生了较大噪音和振动。当电源关闭时不能维持位置。在行进超过200毫米实现好于1个纳米的分辨率(resolution)。
PZT惯性迟滞(stick-slip)电动机在美国专利No.5,410,206中进行了描述；该美国专利的整个公开此处并入到该说明书中。该电动机使用对开螺母(split nut)旋转细螺纹轴，这形成将所述轴夹持在相对侧上的“爪(jaws)”。PZT致动器用非对称交流电驱动信号迅速地沿着相反的方向移动所述爪。快速爪运动克服了夹持摩擦并产生滑动。更慢的爪运动不能滑动并旋转所述轴。该迟滞电动机与上述的步进电动机产生相似的噪音和振动，但是移动慢100倍并在关闭电源时保持位置。在行进超过25毫米实现好于50纳米的分辨率。
超声电动机使用压电产生的振动来产生高速、高扭矩、小尺寸和静操作的连续运动。
最早的超声压电电动机的一种在美国专利No.3,176,167中进行了描述，该美国专利的整个公开此处并入到该说明书中。该单向可旋转的电动机使用石英振荡器来移动细棒并且为了驱动钟机构来驱动棘齿轮。
驻波(standing wave)超声电动机的一个示例在美国专利No.5,453,653中进行了描述，该美国专利的整个公开此处并入到该说明书中。该电动机使用了矩形PZT板来产生相对移动表面预加载的触点的超声振动。PZT板上的电极图案连接到交流信号并产生具有所需的振幅和相位的接触尖端的二维振荡，以相对匹配表面产生合力(net force)。该超声电动机是安静的并比步进电动机快100倍，同时产生大约1/3的力。通常超声电动机难于停止和开始，这限制了精度。具有闭合环控制的编码器典型地需要实现次微米(sub-micrometer)的分辨率。
使用超声振动用于驱动螺杆的装置在例如Katsuyuki Fujimura的美国专利No.6,147,435中进行了描述，该美国专利的整个公开此处并入到该说明书中。该专利公开并要求权利“...一种通过超声振动驱动螺杆的机构，包括设有沿着轴向方向螺旋地形成有槽部的螺杆；一对机架，所述机架可旋转地保持所述螺杆的相对端；工作架，所述工作架部分地围绕所述螺杆并沿着所述螺杆的轴向方向可滑动；至少一个第一螺杆旋转装置，其固定在所述工作架的一侧上并从所述工作架延伸到所述螺杆，所述至少一个螺杆旋转装置包括在第一特定角度上与所述螺杆的所述槽部接触的第一振动器、将所述第一振动器在特定的压力上朝向所述螺杆的所述槽部推动所述第一振动器的第一弹簧，和第一压电致动器，用于在电启动时振动所述第一振动器以沿着第一旋转方向旋转所述螺杆；和至少一个第二螺杆旋转装置，所述第二螺杆旋转装置固定在所述工作架的另外一侧上并从所述工作架延伸到所述螺杆，所述至少一个第二螺杆旋转装置包括在与第一特定角度相反的第二特定角度上与所述螺杆的所述槽部接触的第二振动器；第二弹簧，所述第二弹簧在特定的压力上朝向所述螺杆的所述槽部推动所述第二振动器；用于在电启动时振动所述第二振动器以沿着第二方向旋转所述螺杆的第二压电致动器。”美国专利No.6,147,435的装置需要“第一螺杆旋转装置”和“第二螺杆旋转装置”；它们显示在图3中，例如作为组件16a’和16d’(它们包括这样的第一螺杆旋转装置)和作为组件16b’和16c’(它们包括这样的第二螺杆旋转装置)。再次参照美国专利No.6,147,435，当组件16a’和16d’通过超声振动启动时，螺杆2被导致在一个方向上旋转；当组件16b’和16c’通过超声振动启动时，螺杆2被导致沿着相反的方向旋转。
组件16a’/16d’、和16b’/16c’不会同时启动；这样做将浪费能量并导致螺杆2保持静止。
但是，即使当这样的组件16a’/16d’、和16b’/16c’没有同时启动，这也是一种能量的浪费。未活动的组件对仍然与螺杆2上的螺纹邻接，并这样导致制动摩擦(drag friction)。
该制动摩擦是美国专利No.6,147,435的装置的问题。这在所述专利的权利要求2中进行了描述，并且为了一定程度地解决该问题，这样的专利的装置是“...当所述第一和第二压电致动器的一个是电启动时，非常小量的电流被供给到所述第一和第二压电致动器的另外一个”。美国专利No.6,147,435的装置的效率不是很高。
发明内容
该发明的目的是提供一种通过超声振动驱动螺纹轴的机构，所述机构比美国专利No.6,147,435提供了大体上更高的效率同时提供了比通过相似尺寸的其它超声电动机典型地实现得更高的精度、力和速度。
根据该发明，提供了一种用于驱动螺纹轴组件的装置，所述螺纹轴组件包括螺纹轴和与其配合的螺母。所述组件包括用于将所述螺母进行超声振动的装置并由此导致所述轴沿着轴向方向同时旋转和平移。所述组件也包括用于将轴向力施加到所述轴上的装置。
本发明将参照该说明书、所附的权利要求和附图来进行描述，其中相同的标号表示相同的组件，以及其中图1-6显示了包含四个矩形压电板的电动机，其中图1是这样的电动机的透视图，图2是这样的电动机的分解视图，图3是这样的电动机的端视图，图4显示了这样的电动机的电连接，图5是沿着图3的线A-A(30)所取的电动机的横截面视图，图5A显示了与外预载配合的螺纹的放大视图(图5上的47)且电动机关闭，图5B显示了电动机操作时的图5A中的相同的放大视图，图6是沿着图3的线B-B(32)所取的横截面视图；图7-12显示了包含四个压电迭层(stacks)的电动机，其中图7是这样的电动机的透视图，图8是这样的电动机的分解视图，图9是这样的电动机的端视图，图10显示了这样的电动机的电连接，图11是沿着图9的线A-A(48)所取的横截面视图，图12是沿着图9的线B-B(46)所取的横截面视图；图13-17显示了包含四个外电极的压电管的电动机，其中图13是这样的电动机的透视图，图14是这样的电动机的分解视图，图15是这样的电动机的端视图，图16显示了这样的电动机的电连接，图17是沿着图15的线A-A(56)所取的电动机的横截面视图；图18示意显示了用于图1的电动机的螺母的轨道运动，显示了螺纹轴的旋转和平移；图19示意显示了需要产生如图18所示的运动的电驱动信号；图20-25显示了封装并与线性台阶(linear stages)集成的图1的电动机的应用，其中图20是电动机组件的透视图；图21是电动机组件分解视图，图22是电动机组件的横截面视图；图23A是从图20反向视图的电动机组件的透视图，图23B是显示了电动机组件在向前的方向上旋转和平移的方式的透视图，图23C是显示了电动机组件沿着相反的方向旋转和平移的透视图，图24A显示了在向前的方向上操作的集成在线性台阶内的电动机组件，图24B显示了在相反的方向上操作的集成在线性台阶内的电动机组件，图25显示了在三轴台阶系统内集成的电动机组件。
具体实施例方式
在该发明的一个实施例中，小型超声线性电动机旋转导螺杆以产生线性运动。气缸在超声范围内用第一弯曲模式共振频率支撑螺纹螺母。气缸和螺母在该共振频率上通过变换器激励，导致螺母在气缸的端部上作轨道运行(orbit)。变换器可以是可以引起谐振的压电、电致伸缩、静电、电磁或者任何装置。至少两个变换器需要来同时激励具有正或者负90度相移的气缸的正交弯曲模式并产生圆形轨道。紧配合螺纹轴安装在螺母内。弹性轴向载荷通过低摩擦连接件施加到所述轴。螺母在其共振频率上作轨道运动，轴的惯性保持其对中。螺母的轨道运动产生让所述轴旋转的扭矩并产生线性运动。变换器需要至少两个交流电驱动信号。驱动频率必须激励机械频率并控制相位移实现圆形螺母轨道。驱动信号振幅和持续时间的调制控制速率。驱动信号之间的相移可以为正或者负，这让螺母轨道和轴旋转/平移的方向反过来。该实施例和其它优选实施例将更为详细地参照该说明书的剩余部分进行说明。
为了不限于任何特定的理论，申请人相信他的超声线性致动器之一的操作原理是圆柱形管的第一弯曲谐振的激励，这导致所述管的一端或者两端围绕圆柱体的轴线作轨道运动并没有旋转。在该实施例中，所述管的一端容纳螺纹螺母，所述螺纹螺母也围绕匹配螺纹轴作轨道运动并通过摩擦给予切向力，这样当其作轨道运动时旋转所述螺纹轴。螺纹内的摩擦是有用的，因为其直接地驱动所述螺杆。这与传统的导螺杆驱动形成强烈对比，在传统的导螺杆上，螺纹接触摩擦是寄生的并产生扭曲(windup)、游隙和慢响应。使用在该实施例中的螺旋螺纹的另外一个显著优点在于直接将旋转转换为平移，具有较大的力学优点，这放大了轴向移动并减小了线性速度，并且结果增加了精度。
在该实施例中，在加载路径之内或者之外的变换器优选地用于激励第一弯曲模式。可以被使用的变换器的示例是例如压电组件和迭层、磁致收缩材料和静电材料。该列表不包括所有的变换器材料，但是需理解任何可以用于激励圆柱形管或者相似形状的块的第一弯曲谐振并实现管端部的一个或者两个的轨道运动的这样的材料或者机构在该专利中得以实施。此处所描述的实施例使用压电材料但是也可以用恰如上所述的可选变换器材料来实施。
参照图1至6，在此处所描述的特定实施例中，描述了超声线性电动机10。在所描述的实施例中，四个矩形压电板被用于产生超声振动。在未在图1中示出的另外的实施例中，其它装置可以用于产生超声振动。
如该说明书中所使用那样，术语超声指的是在超过20,000赫兹的操作频率。在一个实施例中，操作频率至少是大约25,000赫兹。在另外的实施例中，操作频率至少大约是50,000赫兹。在另外的实施例中，操作频率是至少大约100,000赫兹。
如该说明书中所使用的那样，术语线性电动机指的是通过产生力和/或者位移在基本直线上产生运动的致动器。可以参照例如美国专利No.5,982,075(超声线性电动机)；5,134,334(超声线性电动机)；5,036,245(超声线性电动机)；4,857,791(线性电动机)等。这些美国专利的每一个的整个公开此处通过参照并入该说明书。
再次参照图1-6，并且此处所描述的优选实施例中，可以看到具有球形尖部26的螺纹轴12旋转并产生轴向力和运动。
螺纹轴12优选地可移动地设置在壳体14内。螺纹轴12(参看图5)的长度15优选地超过壳体14的长度13至少大约10毫米。在一个实施例中，长度15超过长度13至少25毫米。在另外的一个实施例中，长度15超过长度13至少50毫米。
在一个实施例中，螺纹轴12具有小于大约壳体14的第一自然频率的0.2倍大小的第一自然频率。在另外的实施例中，螺纹轴12具有小于大约壳体14的第一自然频率的0.1倍大小的第一自然频率。
如此处所使用，术语第一自然频率指的是振动的第一正常模式的频率；参看例如McGraw-Hill Dictionary of Scientific and TechnicalTerms，Fourth Edition(McGraw-Hill Book Company，New York，1989)第1253页。也可以参照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页。也可以参照美国专利6,125,701；6,591,608；6,525,456；6,439,282；6,170,202；6,101,840等，这些美国专利的每一个的整个公开此处通过参照并入该说明书。
在附图中所描述的实施例中，螺母16的轨道运动通过提供在平行于轴线中心线的平面内彼此正交作用的两个正常振动模式而产生，这在图18中最佳显示。这两个振动的正交正常模式通过被启动变换器(例如板18、20、22和24)和壳体14的交互作用提供；以及这样的交互作用导致螺母16的轨道运动，这反过来导致螺纹轴12的旋转和平移。
在一个实施例中，螺母16的第一自然频率优选地至少5倍于电动机组件10的操作频率。这样优选地螺母16可以基本是刚体。
在一个实施例中，螺纹轴12大体上由不锈钢的金属制造。在该实施例中，螺纹轴12与基本上是黄铜的金属制造的螺纹螺母16配合。
将明显看出，优选地使用螺纹轴12和螺母16的材料的组合，这样最小化磨损。使得磨损最小化的其它材料的组合也可以使用在本发明中。
再次参照图1，将可以看到螺纹轴12包括多个螺纹17，优选地是螺旋槽的形式。在一个实施例中，螺纹17具有小于250螺纹每英寸的螺距，优选地小于约200螺纹每英寸。在另外的实施例中，螺纹17具有小于约100螺纹每英寸的螺距。在该实施例的一方面中，螺纹17具有从大约40至大约80螺纹每英寸的螺距。
螺纹17优选地与螺母16的内螺纹19配合，这在图18中最佳显示。在一个优选的实施例中，内螺纹19的螺距大体上等于外螺纹17的螺距。
尽管，为了简单说明的目的，螺纹17、19被显示完全配合(除了图5A、5B和18)，优选地螺纹17、19之间的直径间隙小于螺纹17和/或者螺纹19的螺纹深度33/35的约0.5倍。该直径间隙在图5A中最佳显示。用于确定该直径间隙的装置是公知的。例如已经参照了美国专利No.6,145,805；5,211,101；4,781,053；4,277,948；6,257,845；6,142,749；等，这些美国专利的每一个的整个公开此处通过参照并入该说明书。也可以参照前述的“Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers”的(“Machine Elements”)的第8-9页以及下列等等。
参照图5A，显示了螺纹17、19之间的配合的一个优选模式。如从该图中所示，螺纹17的每个具有尖部29，螺纹19的每个具有尖部31。此外，螺纹17、19的每个分别具有螺纹深度33、35。
再次参照图1，并且在此处所描述的优选实施例中，将可以看到螺纹轴12的旋转通过连接到振动壳体14的螺母16的超声轨道运动产生。在所描述的实施例中，螺母16优选地连接到壳体14。这在图2中最佳显示。
参照图2，并且如此处描述的优选实施例中，将可以看到螺母16设置在孔11内。螺母16通过传统的例如压力配合和/或者粘合装置等固定在孔11之内。
在如图1、2所描述的优选实施例中，螺母16是圆柱形的螺母。在另外的未示出的实施例中，螺母16是多边形螺母，可以具有方形形状、六角形形状、八边形形状等。
再次参照图1、2，并且在此处所描述的优选实施例中，可以看到，多个陶瓷板18以及下列等等连接到壳体14的外侧表面37。
优选地，陶瓷板18以及下列等等在承受电压时特别是承受电压的改变时改变它们的各自长度。如此处所使用，以及如在该说明书中别的地方所描述，这些陶瓷板可以描述为“活动(active)陶瓷板”。在一个实施例中，活动陶瓷板18以及下列等等从包括压电板、电致收缩板及其混合所构成的组中选择。为了讨论的简化，至少图1、2的实施例将参照压电板来进行描述。
在图2所描述的实施例中，四个压电板18、20、22和24粘接到壳体的外侧表面37并在在各压电板上的电极21、23上通过交变电驱动信号激励时产生螺母16的轨道振动(参看图4)。
在一个实施例中，只使用了两个这样的压电板板18和20。在另外的实施例中，可以使用8个或者更多个的压电板，足够数目的这样的板被用于激励在正交平面39和41内的运动(参看图2)。
为了表示的简单，将讨论4个压电板18、20、22和24。这些板优选地粘接到壳体14的对应的外表面37，这样板被完全地与这样的外表面37相邻接。
压电板18以及下列等等通过电极21、23连接到电压源，如图4中最佳显示。如将变得明显，为了表示的简捷性，电极21、23的连接只参照压电板20进行显示，这被理解为相对其他压电板形成可比较连接。
参照图4，以及参照其内描述的优选实施例，可以看到所有的四个内侧电极23连接到地25。在该实施例中，压电材料是商业可获得的“硬”合成物，该合成物具有较低的介电损耗和较高的去极化(depoling)电压。这样，例如，可以使用Morgan Matroc company of Bedsford，Ohio作为“PZT-4”销售的压电材料。该优选材料典型地具有几个重要的性能。
这样，优选的材料优选地具有在大于约20,000赫兹的频率上小于大约百分之一的介电损耗系数，优选地，小于约百分之0.5。在一个实施例中，介电损耗系数在大约20,000赫兹的频率上是约百分之0.4。
这样，优选的材料具有至少约250pC/N(picoCoulomb/Newton’s)的d33压电电荷常数(piezoelectric charge coefficient)，并优选地至少约270pC/N。在一个实施例中，优选材料具有约285pC/N的d33压电电荷常数。
这样，优选材料具有至少约-90pC/N的d33压电电荷常数，更为优选地，至少约-105pC/N。在一个实施例中，d31压电电荷常数是约-115pC/N。
在一个实施例中，优选材料是具有至少约2500pC/N的d33压电电荷常数和至少约900pC/N的d31压电电荷常数的单晶材料。
为了讨论一些合适的材料，并且只是说明而不是限制，可以参照例如美国专利No.3,736,532和3,582,540。这些美国专利的每一个的整个公开此处通过参照并入该说明书。
通过进一步显示，并且在本领域中公知的是，低介电损耗压电材料对普通技术人员是公知的。可以参照例如美国专利No.5,792,379(低损耗PZT陶瓷合成物)；该美国专利的整个公开此处通过参照并入本说明书。
在一个实施例中，压电材料是单晶压电材料。这些材料在本领域中是已知的。可以参照例如美国专利No.5,446,330；5,739,624；5,814,917；5,763,983(单晶压电变压器)；5,739,626；5,127,982；等。这些美国专利的每一个的整个公开此处通过参照并入该说明书。
再次参照图4,并且在此处描述的优选实施例中，压电板18、20、22和24的轴向长度与所施加的电压(Vx/86和Vy/88)以及d31压电电荷常数成比例改变。
如将变得明显那样，压电板18、22和20、24分别成对一起工作，以弯曲壳体14(参看例如图1、2)并激励轨道谐振。交变电驱动信号86、88优选地沿着电极方向43(poling direction)分别施加到板20、24和18、22。如本领域普通技术人员所公知，电极方向43是其中压电材料中的偶极(dipole)在制造的过程中对齐的方向。例如可以参照美国专利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。这些美国专利的每一个的整个公开此处通过参照并入该说明书。
对于各板对18、22和20、24，电场相对一个板上的电极方向43是正的，相对所述相对板上的电极方向43是负的。驱动信号Vx 86优选地施加到板20、24，并立即在一个板上产生膨胀并在相对的板上产生收缩，这样在平面39(参看图2)内和在X方向72a/72b(参看图18)弯曲壳体14。以相似的方式驱动信号Vy 88施加到板18、22并在平面41内(参看图2)和在Y方向74a/74b内(参看图18)弯曲壳体14。
与螺纹螺母16相对的壳体端部45优选地支撑引导衬套28，所述引导衬套28在衬套内径和螺纹轴12的外径之间具有较小的间隙(参看图2)。螺纹轴12支撑弹性轴向力27(参看图5、6)，其使用产生较低摩擦的硬扁平表面通过球形球尖部26施加。
在电动机10的操作期间，优选地通过球26传送的轴向力27是从约0.1至约100N(Newton’s)。如将变得明显那样，轴向力27优选地与输出驱动力具有相似的大小。
球形球部26(参看图2)是将螺纹轴12用较低的摩擦扭矩连接到其载荷27(参看图5)的一个装置。如本领域中普通技术人员所显而易见的那样，可以使用将来自旋转螺纹轴的运动耦合到移动载荷的其它装置。这样，例如可以使用滚动组件轴承，可以使用与螺纹轴12上的扁平表面邻接的弓形载荷，等。可以参照例如美国专利No.5,769,554(kinematic couplingmethod)；6,325,351(highly damped kinematic coupling for precisioninstruments)等；这些美国专利的每一个的整个公开此处通过参照并入该说明书。
参照图1、2，与螺纹螺母16相对的壳体14的端部45并入凸缘，所述凸缘是静止盖58用的连接点(图21)。轴12和螺母16上的螺纹螺距将轨道切向力和运动转换为轴向力和运动。所述螺距可以被选择以优化力的放大、减速、分辨率提高和电源关闭保持力。
参照图7-12，在此处描述的优选实施例中，超声线性电动机30优选地使用四个压电迭层(stacks)36、40和42(也参看图7、8)以产生超声振动。具有球形球尖部26的螺纹轴12旋转并产生轴向力和运动。所述旋转通过连接到振动气缸32的螺纹螺母16的超声轨道产生。四个压电迭层36、38、40和42粘接到与螺纹螺母相对的气缸端部和粘接到基部环34。四个迭层36以及下列等等使用公知的组件和电学互连方法44构造，内侧迭层引线优选地一起连接到共同的地35。迭层36以及下列等等的轴向长度与所施加的电压和d33压电电荷常数成比例改变。压电材料是商业可获得的“硬”合成物，该合成物具有较低的介电损耗和较高的去极化电压。交变电驱动信号86、88连接到各压电迭层44的外引线并激励螺母的轨道振动。压电迭层36、40、38和42分别成对一起工作以旋转所述管并激励轨道振动。交变电驱动信号Vx 86和Vy 88分别沿着电极方向43(poling direction)施加到迭层38、42和36、40。对于各迭层对38、42和36、40，电场相对一个迭层上的电极方向43是正的，相对所述相对的迭层上的电极方向43是负的。驱动信号Vx 86优选地施加到迭层38、42，并立即在一个迭层上产生膨胀并在相对的迭层上产生收缩；这样其沿着X方向72a/72b(参看图18)旋转所述管。以相似的方式，驱动信号Vy 88施加到迭层36、40，并沿着Y方向74a/74b(参看图18)移动管的端部。与螺纹螺母16相对的基部环34支撑引导衬套28，在衬套内径和螺纹轴12的外径之间具有较小的间隙。螺纹轴12支撑顺应的轴向力27，所述轴向力27使用产生较低摩擦的硬扁平表面通过球形球尖部26施加。基部环34是用于静止盖58的连接点(图21)。轴12和螺母16上的螺纹螺距将轨道切向力和运动转换为轴向力和运动。所述螺距可以被选择以最优化力放大、减速、分辨率提高和电源关闭保持力。
参照图13-17，超声线性电动机50使用具有象限电极(quadrantelectrodes)的压电管54以产生超声振动。具有球形球尖部26的螺纹轴12旋转并产生轴向力和运动。所述旋转通过连接到振动压电管54的螺纹螺母16的超声轨道产生。所述管的内径是连续电极61，所述电极61接地63，所述管的外径被分为四个单独的电极60、62、64和66。压电材料是商业可获得的“硬”合成物，该合成物具有较低的介电损耗和较高的去极化电压。各电极60、62、64和66之下的压电管的一部分的轴向长度与所施加的电压和d31压电电荷常数成比例改变。电极部分60、64和62、66分别成对一起工作以弯曲管54并激励轨道谐振。交变电驱动信号86、88分别沿着电极方向43(poling direction)施加到板60、64和62、66。对于各电极对60、64和62、66，电场相对一个电极上的电极方向43是正的，相对所述相对的电极上的电极方向43是负的。驱动信号Vx 86施加到电极60、64，并立即在一个电极之下产生膨胀并在相对的电极之下产生收缩；并且这样其在X方向72a/72b(参看图18)上弯曲所述管。以相似的方式，驱动信号Vy 88施加到板62、66并沿着Y方向74a/74b(参看图18)弯曲管。
与螺纹螺母16相对的管端部被粘接到基部凸缘52并保持引导衬套28，衬套内径和螺纹轴的外径之间具有较小的间隙。螺纹轴12支撑顺应的轴向力27，所述轴向力27通过球形球尖部26使用产生低摩擦的硬扁平表面施加。基部凸缘是静止盖58用的连接点(图21)。轴12和螺母16上的螺纹螺距将轨道切向力和运动转换为轴向力和运动。所述螺距可以被选择以优化力的放大、减速、分辨率提高和电源关闭保持力。
参照图18、19，显示了电动机10(参看图1)操作和对应的用于使得这样的操作有效的驱动信号86、88。压电板对一起工作，一个膨胀70同时另外一个收缩69，以弯曲所述壳体。交变驱动信号Vx 86和Vy 88优选地是正弦，具有相同的振幅90/91，和90度相移92以产生圆形轨道。正相移92产生正螺母16轨道方向和正轴12旋转96/平移98，同时负相移92产生负轨道方向和负轴旋转/平移。对于一个旋转方向，电动机的单个轨道循环和对应的驱动信号振幅90、91顺序以90度增量76、78、80、82和84被显示。圆柱形弯曲和轨道运动被显示在X 72a/72b和Y 74a/74b方向上。螺母在一个位置上接触螺纹轴的侧面，在相对侧上具有间隙73b(参看图5B)，由此所述接触给予切向力和运动，所述切向力和运动导致轴12对于各轨道循环旋转96和平移98较小的量。每循环的旋转和平移量依赖于许多因素，包括轨道振幅、作用在所述轴上的力27的大小，以及摩擦系数和螺纹表面抛光。如果在螺母和轴的接触73a之间实现零滑动条件，每周循环的运动名义上与螺纹之间的直径间隙成比例。通常，当驱动振幅90、91增加时，轨道直径增加，轴12和螺母16之间的法向接触力增加，滑动减小，速度增加，和扭矩/力增加。
超声频率是周期的倒数(参看图19的周期94a和94b)；这样的超声频率优选地对两个信号相同并与壳体14的第一弯曲共振频率匹配。
参照图20-25，电动机组件100是具有盖58和滚花旋钮102的整体电动机(integrates motor)10。螺纹轴112设置在电动机10之内。如图21中最佳所示，螺纹轴112与螺纹轴12相似(参看图1)但是不同在于具有一体连接到其上的平滑主轴113。主轴113适于连接到滚花旋钮102。盖58在凸缘45处连接到电动机10。滚花旋钮102随着轴112在不接触盖58的情况下旋转和平移。
图21是电动机组件100的分解视图。图22是电动机组件100的横截面视图。
图23A、23B和23C显示了电动机组件100。图23A是从图20反向的电动机组件100的透视图。图23B显示了电动机组件100的操作，把手102和轴112逆时针旋转并沿着箭头105的方向平移。通过比较，图23C显示了电动机组件100的操作，把手102和轴112逆时针107旋转，并沿着箭头109的方向平移。
如明显可见，并为了表示的简化，至电动机组件的不同部件的电连接的物理装置从图中省略。
如将变得明显那样，不是通过电动装置来移动这样的电动机组件100或者除了通过电动装置来移动这样的电动机组件100之外，滚花旋钮102的存在允许通过手工装置来移动电动机组件100。这样，例如，所述组件100可以用作将给予用户收工调整的传统装置和电学自动调整的额外的装置的测微计驱动替换件。
在一个实施例中(未示出)，滚花旋钮102机械地连接到外部电动机以考虑到所述组件的机械移动的第二装置。
图24A、24B显示了包括可操作地连接到线性平移台阶104a/104b的电动机组件100的可调节线性台阶106。在该实施例中，电动机组件100的盖58连接到底部台阶部104b，球26与顶部台阶部104a接触。如将变得明显那样，当滚花旋钮102顺时针地在方向103上移动时，产生箭头105方向的线性运动。反过来，当滚花旋钮102在方向107上逆时针地运动时，产生箭头109方向上的线性运动。
在一个实施例中，在图24A、24B中示意显示那样，包括销115和116(显示为点线外轮廓)的弹簧组件111沿着箭头109的方向偏压平移台阶104a/104b。在所描述的实施例中，销115连接到组件的顶部、可移动部104a，销116连接到组件的静止底部104b。如将变得明显那样，弹簧组件111可以用于产生轴向力27(参看图5、6)。
图25是能够沿着X、Y和Z轴移动其台阶106a、106b和106c的微操纵器120的透视图。
尽管本发明参照了具有一定程度的特定性的其优选形式进行了描述，但是可以理解，所述优选形式的本公开可以对结构的细节进行改变，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对部分进行不同的组合和布置。
在该说明书的前述部分中，描述了驱动包括具有旋转轴的螺纹轴和与其配合的螺纹螺母的螺纹轴组件的装置，其中所述组件包括用于将所述螺纹螺母进行超声振动的装置，并由此导致所述轴沿着轴向方向同时旋转并平移。如将变得明显那样，可以制造包括导致所述螺纹轴组件振动的装置的可比装置，由此导致所述螺纹螺母同时旋转和平移。
权利要求
1.一种用于驱动包括具有旋转轴的螺纹轴和与其配合的螺纹螺母的螺纹轴组件的装置，其中a.所述组件包括用于将所述螺纹螺母进行超声振动并由此导致所述螺纹轴在轴向方向上同时旋转和平移的装置；b.所述螺纹轴可操作地连接到载荷，和c.所述组件也包括用于将轴向力施加到所述螺纹轴的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述组件包括用于将所述螺纹螺母在轨道方向上移动的装置。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述螺纹螺母大体上是刚体。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，还包括其中设置所述螺纹轴组件的壳体。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述螺纹螺母连接到所述壳体。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述壳体在超过每秒20,000循环中具有第一弯曲共振频率，其中第一弯曲模式位于平行于所述旋转轴的平面内。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述壳体具有等同于所述第一弯曲共振频率的第二弯曲共振频率，并且其中第二弯曲模式位于垂直于所述第一弯曲模式的平面内。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，还包括在至少20,000轨道每秒的频率上用于所述螺母进行轨道运动的装置。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，还包括用于将所述螺纹轴沿着大体上平行于所述旋转轴的方向移动的装置。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，还包括用于旋转所述螺纹轴同时沿着大体上平行于所述旋转轴的方向移动所述螺纹轴的装置。
11.根据权利要求7所述的装置，其中，用于轨道运动所述螺纹螺母的所述装置包括用于将电能转换为力的至少两个变换器。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述变换器从压电变换器、电致收缩变换器、磁致收缩变换器、静电变换器、电磁变换器及其混合所构成的组中选择。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述变换器是压电变换器。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述压电变换器是压电板。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述压电板包括在大于约20,000赫兹的频率上具有小于约百分之一的介电损耗系数的压电材料。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述压电板包括在大于约20,000赫兹的频率上具有小于约百分之0.5的介电损耗系数的压电材料。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述螺纹轴包括具有螺纹螺距从约40至约250螺纹每英寸的多个螺纹。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述螺纹轴设置在壳体之内，以及其中所述螺纹轴连接到旋钮。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，还包括连接到所述螺纹轴和所述壳体的可移动台阶。
20.一种装置，包括至少两个可移动台阶，所述可移动台阶彼此邻接，其中所述至少两个可移动台阶的每个包括权利要求19的装置。
全文摘要
本发明提供了一种用于驱动包含具有旋转轴的螺纹轴和与其配合的螺纹螺母的螺纹轴组件的装置。将螺纹螺母进行超声振动导致螺纹轴沿着轴向方向同时旋转并移动。螺纹轴连接到将轴向力施加到螺纹轴的载荷。
文档编号H01L41/08GK1879232SQ200480032928
公开日2006年12月13日 申请日期2004年8月10日 优先权日2003年9月8日
发明者大卫·亨得森 申请人:新测量科技有限公司