使用基于机械放大器的惯性马达的精确定位系统的制作方法

专利名称：使用基于机械放大器的惯性马达的精确定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种精确定位系统，包括
第一惯性子组件，包括至少一个压电激活(piezoactive )的元件和至少一个惯性点，且能沿作动方向在作动点处产生冲击力和运动，
第二相对驱动子组件，包括至少一个驱动构件和一个被驱动构件，两个构件中的 一个经由作动点固定到第 一惯性子组件，
电子电路，用于根据预定激励循环对第一惯性子组件的每个压电激活元件供电。
背景技术：
压电惯性马达用在精确线性或旋转微动力化应用中，例如在用于聚焦功能的光学系统中或用于样品微定位的显微系统中。
压电惯性马达的概念描述于T. Higuchi的专利EP 0292989中。压电元件11牢固地放在两个标记为12的质量构件M和标记为13的质量构件m之间，这三个元件形成运动组件。质量件m总是自由的。质量件M与用作固定参考的引导件14以摩擦力滑动接触。压电元件按照不对称激励循环而被激励，通常通过锯齿形的可变电压来激励。施加到压电元件并施加时间t,的快速电压切换使得其快速变形并由此使得其端部快速运动，这产生了使得质量件M由于质量件m的惯性而相对于引导件滑动的冲击力。这种现象被称为滑动现象。通过慢慢地将电压切换到其初始值并经过时间t2，会产生压电元件的緩慢变形，导致在没有质量件M的情况下质量件m运动，质量件m的惯性不在起作用且质量件M上的引导件的摩擦用作制动件，产生阻碍。这种现象称为粘附现象。在不对称激励循环中，由此由于引导件而获得质量件M的相对运动以及因而产生的运动组件的相对运动，并使基本步长连续。通过重复该滑动-粘附循环，可以实现一步接一步的操作，能实现比基本步长更大的长行程。
为了获得所需的操作，快速运动切换时间t,和慢速运动切换时间12是决定性的。术语"慢速"和"快速"相对于通过质量件m和压电元件的刚性k而行 程的子系统的自然周期是固定的。该自然周期T——该子系统的共振频率的 倒数&根据公式T= l/fr = 2p (m/k) 1/2。在电压切换时间t,中——其小于自 然周期T,质量件m的惯性其作用且通过质量m和刚性k形成的子系统用 作冲击力产生器，其应用到M并能加速并驱动后者。这种规范将t^T这种 选择固定下来。在电压切换时间12内——其大于自然周期T,该质量件m的 惯性不再起作用，且通过质量件m和刚性k形成子系统用作运动产生器，其 仅使m运动。该规范使得tpT这种选择固定下来。
按照推荐的结构并由于元件的大刚性，共振频率fr很高且实际上在 10kHz以上。该周期随后大于丁= 100(is,且t,由此必须小于100|is。在专利 EP0292989中，所使用的值是t, = 50ps且t2 = 2ms且满足关系式t!<T<t2。
在由Saito Schuichiro在专利EP 0464764 Al中提出了非常类似的构思。 该专利中的标记了 17、 12和13的部件分别对应于专利EP 0292989中的质 量件M (即构件12 ),压电元件11和质量件m (即构件13 )。它们相对于构 件1形成处于相对运动中的子组件，与17摩擦滑动接触，如EP0292989中 14那样。差异在于子组件17、 12、和13是固定的且构件1是运动构件。
这种类型的机构也能提供精确定位模式，其能与长行程定位模式相结 合。例如，在Higuchi的专利EP0292989的情况下，精确定位模式通过将要 被驱动的载荷固定在质量件m上来实现。通过保持电压而获得的压电元件的 准静态变形能使固定在质量件m上的载荷以良好的分辨率来定位。最大行程 U隱通过最大允许变形S隨和通过压电元件的长度L并通过关系式Umax = L-Smax来确定。在压电元件的通常长度为L-10mm且变形Smax = 0.1。/Ut， 最大行程通常为Umax= 10pm。
这种机构具有以下缺点
在快速变形模式下需要对压电元件供电的电流很高，具体是因为需要非 常短的切换时间来利用惯性效应并产生冲击力。专利EP 0292989中给出了 典型工作条件——切换时间t产50ns，以使得在电容C=5jiF时电压改变V = 150V。这使得电流强度I-OV/tl = 15A。这种高电流，由于用于快速变形的 很短的切换时间tP对电子器件要求高且使得在焊接部中和有压电元件的电 极中温度升高。这时系统故障的根源。
从机械结构角度看，压电元件必须被刚性地保持为与质量元件m和M
6接触。压电元件当然存在没有螺紋的平接口，且在没有任何额外机构的情况 下仅能使得元件之间粘滞。这种粘滞长时间的时效，导致压电元件与质量元
件m和M之间损失一致性。由于这种粘滞，该机械结构存在故障的根源。
压电元件在没有任何机械预应力的情况下来制造。为了防止过度的机械 拉伸应力产生由于分层而产生破坏，压电元件的变形幅度必须受到限制。这 使得步长大小和附带地速度都受到限制，且由此导致马达的性能降低，或在 相反的情况下，机构的寿命降低。
从工作的角度来看，按照突然或緩慢的变形来激励马达也会具有激励结 构模式和引起振动的结果。这些振动干扰马达的精确定位功能且也是故障的 根源或是如果振动不受控制便会是限制速度的干扰源。
最后，精确定位的行程被限制为大约10微米，如果具有大长度的压电 元件的情况下就不是这样，这会在尺寸方面导致结构不可实现。这种行程的 大小不能满足大量级的行程需求。
文献FR 2850218描述了一种经放大的压电激活的作动器，其牢固地固 定到被驱动构件。其没有描述能允许被驱动构件滑动和粘附的夹具和被夹持 构件。其不包括惯性马达。在图10的情况下，通过镜像保持器来形成的被 驱动构件通过螺钉刚性地固定到惯性子组件，该螺钉不能允许滑动-粘附运 动。在图15的情况下，通过结构件46形成的被驱动构件通过连接连杆28 刚性地固定到惯性子组件，该连杆不能允许滑动-粘附运动。
文献EP 720245披露了 一种具有两个腿的走行器类型的压电马达。根据 图3和5，每个腿包括压电陶瓷元件(piezoceramic) ( 30， 30，)和转换器(26， 26，)，该转换器将压电陶瓷元件的平移运动转换为小旋转运动。马达的运行 是基于两个压电陶瓷元件的命令之间的两个需要压电的移相激励顺序。其运 行中没有产生沖击力。陶瓷30、 30，不包括任何预应力器件，可用于利用动 态效应并在可靠条件下产生冲击力。因此与基于冲击力的惯性马达无关。
文献US 2005/0258712和US 2002/0033322描述了惯性压电马达，其使 用上述专利申请EP 0292989所述的冲击力。这些马达利用通过压电元件产 生的力来使得被驱动构件在夹具中滑动。通过压电元件产生的力越大，则会 更容易地获得滑动，且性能越好。为此，没有在这些专利中披露惯性压电马 达中压电元件的运动放大功能，因为原则上，运动放大是通过压电元件力的 减小实现的。乍一看来这导致运动放大不能对动态机械性能(马达的力、速度)提供全局增益。通过运动放大提供的增益由此不能在根本上适合于动态 机械性能。

发明内容
本发明的目的是弥补这些缺陷，且更具体地，改善压电激活惯性马达的 性能和可靠性。
根据本发明，第一惯性子组件包括机械放大器，该放大器将压电激活元 件的运动放大，作动点位于机械放大器上，而不与压电激活元件直接接合。 驱动构件和被驱动构件是至少一个夹具和一个被夹持元件的形式，以允许滑 动-粘附运动。
这种结构能将快速切换时间加长，以便显著地降低突入电流密度并增加 精确定位行程，并降低配重件重量。
根据发明的发展，机械放大器通过刚性连接联接件和压电元件的机械固
定来执行质量件m和M之间的机械连接。
根据本发明的另一发展，机械放大器整合緩冲元件，以便降低通过马达
的激励或通过外部源引起的振动幅度并增加马达速度。
根据本发明的另一发展，机械放大器执行压电元件的预应力施加。 根据具体实施例，通过压电元件和机械放大器形成的子组件用于实现线
性马达。
根据另一具体实施例，通过压电元件和机械放大器形成的子组件用于实 现旋转马达。
根据本发明的一种发展，马达的电子电路实现大行程定位、精确定位和 动态定位模式。
根据为了获得大行程定位模式而实现较高速度的具体实施例，电子电路 执行激励循环的快速切换和惯性子组件的最大残余振动之间的同步化。


其他优点和特征可从本发明具体实施例的以下说明中更加清楚，实施例 给出了非限制性的例子并显示在所附附图中，其中
图1显示了包括机械放大器的线性惯性马达的视图。
图2显示了根据三种可能的模式获得的载荷行程的时间视图，三个模式是Ml:通过可变大小步长的累积实现的大行程模式；M2:通过准静态变 形实现的精确定位模式；M3:通过动态变形实现的动态定位模式。
图3显示了基于机械放大器的线性惯性马达的^L图，该i丈大器具有配重 件和浮动夹具的引导。
图4显示了基于机械放大器的线性惯性马达的透视图，该放大器具有配 重件和浮动夹具的引导。
图5显示了基于机械放大器的第二线性惯性马达的透视图，该放大器具 有配重件和浮动夹具的引导。
图6显示了基于机械放大器的线性惯性板的透视图，
图7显示了基于机械放大器并带有在轴上的夹具的线性惯性马达的视图。
图8显示了具有基于机械放大器的线性惯性马达的线性电磁阀的视图。
图9显示了基于机械放大器的线性惯性马达的视图。
图IO显示了基于机械放大器的旋转惯性马达的透视图。
图11显示了基于4个机械放大器的球形驱动惯性马达的透视图。
系统的一见图。
具体实施例方式
参见图1,惯性马达包括通过机械放大器1、压电激活的元件2和配重 件(countermass ) 3形成的第一惯性子组件10以及具体包括夹具5和轴4 形式的被夹持构件的第二相对驱动子组件11,该轴方位沿z轴线。夹具5通 过朝向点C与轴4滑动接触的垫6并通过柔性预加载系统7形成，该预加载 系统固定到框架8。该系统7被设计为产生垂直于z轴线的静态力F。如果 点D固定，则要被驱动做相对运动的载荷可被朝向点A或在其延长线A，固 定到轴4上，或者朝向点B或朝向B，固定在配重件上。如果点B固定，则 要被驱动的载荷可以朝向点D固定。
夹具5和被夹持构件4可以通过任何类型的驱动枸件和被驱动构件替换。
机械放大器1提供作动点A和惯性点B。机械放大器1是基于含有压电 激活的元件2的壳体结构。该壳体结构例如提供大致菱形的形状。放大器沿x轴线在点M和N之间的尺寸dx小于沿方向z点A和B之间的尺寸dz。沿 x方向拉长的压电激活元件2的伸长将放大器1变形，这使得放大器1沿x 轴线收缩。由于放大器的几何形状以及比例dx/dz>l，所以沿z方向的收缩被 以接近于cy4的放大比例所放大。这种类型的放大机构描述于FR42740276 中。放大比例可以通过放大器的设计从1到100变化，但是其通常在3和20 之间。放大器1的壳体形状可以不同，例如是椭圆形的、篮子把手形或狗骨 头形的，且可以具有或不具有弯曲时有弹性的关节。这些变化的形状使得放 大器1的尺寸和性能可以变化，以适应需求。
机械放大器1通过金属材料形成，如钢、塑料材料或复合材料，例如基 于>5岌纤维的复合材料。通过组装且由于其弹性，专利FR42740276中所述的 机械放大器1能在压电激活元件2上施加预应力，这能将每个压电激活元件 固定且防止后者进入到机械拉伸状态。在点A和B处设置机械接口 ，如能 使得配重件3和轴4形成良好机械连接的孔。
点A和方向z分别是惯性子组件10的作动点和作动方向。
配重件3是固定到放大器1的惯性点B的刚性体。
浮皮;改大的惯性子组件的另 一实施例包括将^C大器1 、配重件3和轴4制 造成单件部件，这减少了制造成本并消除了这些部件之间的连接问题。
压电激活元件2通常是压电陶瓷的堆迭，且沿x轴线纵向地变形。多层 压电陶瓷的最大变形约为Smax = 0.1%。陶瓷长度L-10mm,陶瓷最大伸长 为lO(im。用一个或多个块状压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、电激活陶瓷或磁致 伸缩或石兹形状记忆合金都可以获得相同的效果，这些元件的实施可通过供电 线圏和磁回路来完成。压电激活元件2可以通过游隙占据机构来完成，如倾 斜垫片，如FR 2740276所述的。沿x轴线放置的该机构能使得压电激活元 件2和放大器1之间的任何游隙被占据，且使得通过机械放大器1在压电激 活元件2上产生的预应力能容易地调整。
放大器1、压电激活元件2、配重件3和放在放大器表面上或补足结构9 中的任何緩冲材料形成惯性子组件10。
第二相对驱动子组件11的夹具5在图1中通过垫6和柔性预加载系统7 形成。这使得垫6由于垫6与形成被夹持构件的轴4之间的摩擦而产生的任 何磨损游隙可被占据。为了限制差别膨胀问题，轴4的材料可以被选择为具 有与夹具5相同的特性，例如钢。为了改善马达的性能，优选的是对位于垫5和轴4的接口处的接触区域的接口进行处理或对在这些区域上的沉积层材 料进行处理，提供合适的摩擦系数和低的磨损速率。
当没有供电时，通过夹具5和轴4沿垂直于位于点C附近的接触区域的 方向施加的预应力F,马达^皮阻挡在其位。
在运行中，惯性子组件10沿z方向的相对运动，特别是点A和B相对 于点D运动处，由于这些压电元件且由于对该元件供电，通过机械放大器l 的快速和慢速变形形成的非对称激励循环而通过滑动-粘附来实现该运动。 例如，如果D固定，则放大器的慢速收缩导致点B的运动和配重件3的运 动，而点A和轴4固定。放大器1的快速伸长沿z方向产生沖击力并导致点 A运动和轴4通过在夹具5中滑动而运动。在慢速收缩循环和快速拉长之后， 获得沿z方向的小幅正向步长。对称地，在通过快速收缩和慢速延长形成的 循环之后，获得沿z方向的小幅负向步长。根据图2通过积累这种通过滑动 -粘附方式获得的小步长来执行大行程定位模式Ml。降低的且可调整尺寸 的步长可以通过降低控制电压来实现。为了获得所需的运行，快速运动切换 时间t,和模式运动切换时间b是决定性的。"慢速"和"快速"的概念相对于子 系统的自然周期T是固定的，在该马达中该子系统的自然周期通过配重件3 的质量m、压电元件2的刚性k和放大器l的放大比例a来形成。该自然周 期T——其是该子系统的共振频率fr的倒数——#>据这三个因素并根据公式 T二l/f「2p,a.(m/k)'。定义。大于1的放大比例使得自然周期T显著地加长。 这意外地使得快速压电切换时间t,以相同的比例降低且使得电流密度 IOVA降低。对于压电激活材料的相同刚性k和相同质量m，使用例如比 例为a=10的放大器使得突入电流密度按因子10来降低。考虑初始值1 = 15A,使用这种放大器能将突入电流下降到1.5A的值，这对于电源的电子部 件、焊接部和压电元件的电极来说更耐久。这也使得电子部件易于实现。应 注意，在每次切换时供应的总电荷Q4.tl不能通过放大来改变。机械放大器 由此使得电荷在时间上更好地分布，而不会降低在每次循环中供应的电力。
机械放大还使得配重件的重量实质上降低，这对于机构的小型化和降低 其质量来说是有利的。自然周期T可以实际上为T= l/fr = 2.p. (a2.m'/k)1/2 = 2-p'(Meq/k)1/2， Meq = a2'm'。放大使得配重件重量被选择为m'= Meq/a2，这基 于配重件重量Meq赋予与系统的自然周期相同的自然周期T，而不用力文大器。 在a-10的情况下，配重件重量由此按因子100降低，机构的自然周期T相同，而不用放大器。由于这种可能性和放大器1的质量,配重件3可以在筒
化的实施例中被省略。在这种情况下，放大器的部分的质量朝向点B定位，
用作在滑动-粘附运行模式中的配重件。中间折衷是可以的，使得电流上的 和配重件重量上的增益能被共享。
在具体构造中，其中朝向点B或B，在配重件3上固定载荷且其中框架8 朝向点D固定，或再一次在载荷朝向点D固定在框架8上且朝向点B或B， 的配重件3是机械质量件的情况下，沿z方向的精确定位模式M2是可以实 现的。这些构造还具有允许载荷具有与其所附接的结构相比不可忽略的质 量。精确定位通过机械放大器和压电元件的准静态变形来获得，而不是夹具 中轴的滑动。最大精确定位行程Umax通过最大允许变形Smax、通过压电元件 的长度L和才几械方文大率a并根据关系式U隨=a'L'Smax来确定。L = 10mm， Sn^-10.1。/。且a=10，精确定位行程Umax= 100pm。比没有放大器的情况大 10倍的该行程足够大，以能执行光学精确定位功能。
具有大通过波段且沿z方向减少行程的动态运动模式M3也可以在这些 构造中实现。只要与轴有关的动态力保持低于夹具的滑动阈值，则夹具5用 作固定点且动态放大器变形以运动的形式传递到载荷。该模式可以叠加到精 确定位模式。其例如能使得样品在被定位后振动。这种功能例如在某些X射 线差分实验中很有用。
为了降低载荷或框架的振动——这在位置稳定性很重要的光学应用中 很重要——有利的是，利用诸如弹性体这样的緩冲材料与放大器1或压电激 活元件2关联作用，如美国专利6927528中所述的。在弹性体填充放大器1 中的空腔9时获得最大緩冲效果。这种弹性体填充的空腔9进一步例如保护 压电元件2不受来自外部部件的冲击或湿度的影响。
惯性子组件IO的緩冲模式还使得马达的速度增加。在每次快速切换时， 具有周期T的惯性子组件10的振动模式实际上被激励成产生緩冲正弦 (dampened sinus )式的残余振动。緩沖器12使得该残余振动的持续时间减 少。时间t2以及由此激励循环的持续时间Te-t，+t2由此减少。在每个步长 中起作用的激励频率fe= 1/Te由此增加，这增加了马达的平均速度。
图3显示了图1的马达的第二替换实施例。惯性机构子组件10包括机 械放大器1、压电激活元件2、配重件3和部分地填充空腔9以产生緩冲的 弹性体12。引导器件设置在配重件3的水平处。该器件可以例如 过轴13和平滑轴承14来实现。另一实施例可以包括具有配重件3的弹性引导件。 浮动夹具15被实施为使得预应力刚性和垂直于z方向施加在轴4上的预应 力F对称化。滑动夹具15例如通过两个垫6、 6b和两个预应力弹簧7、 7b 实施。以同样的方式，浮动夹具15可以以使得预应力刚性和预应力F对称 化的方式用多于两个的垫和预应力弹簧实施。在该结构中，点E可以连接到 点D，以将引导件14和框架8固定。如果这些元件形成固定参考系，则要 被驱动的载荷可以固定在点A, B，或B，，的水平处。如果点B，，为固定参考系， 则载荷可以固定在D处。该结构的优点是其能使夹具15执行产生摩擦力F 的功能，而不执行所有引导功能。例如，其可以有利地将轴4设置成通过由 两个弹簧元件7、 7b压靠到轴4的两个垫6、 2b而夹在夹具15中的矩形截 面叶片的形式，如图4所示。在这种情况下的垫可以具有沿第三方向在很大 高度上起作用的大接触表面。它们以类似于平压力联接件的方式执行引导。 叶片和垫彼此面对的表面^f吏得可以沉积合适的摩擦层。为了完成引导，轴13 可以是圆柱形轴，其以滑动枢转的形式与引导件14联动。固定在B"处的载 荷由此沿z方向以精确的方式被引导。该马达的工作情况与图1的马达相同。 用于产生机械放大器1的快速和慢速变形循环的压电元件2的电力供应使得 在惯性子组件10和框架8之间通过累积的步长而获得长行程。
图4显示了根据图3的具有机械放大器的惯性马达实施例的具体形式。 惯性驱动机构20包括具有压电激活材料2的放大器1和通过轴23连接到放 大器1的配重件。放大器1是基本上椭圆形壳体的形式，在短轴线上具有外 部机械接口和在长轴线上具有外部机械接口 。压电陶瓷和具有垫片的游隙占 据机构预压布置在放大器1的这些内部机械接口之间。放大器1的外部机械 接口包括平表面和螺紋孔，使得轴23和轴4能可靠地机械固定。相对驱动 子组件21通过浮动夹具15和轴4形成，该轴构成被夹具15夹持的构件。 轴4包括基本上平行六面体形状的部件24，其具有两个接触表面，在该接触 表面上施加了相对驱动子组件21的浮动夹具15的静态力。浮动夹具15经 由两个垫16和16b施加力F，该两个垫具有基本平的面，其能沉积摩擦层 25和25b。为了产生力F,两个垫16和16b通过弹簧和装在位于框架8的 孔17、 17b中的调整螺钉而被压住并能使预应力容易地调整。垫16和16b 通过柔性联接件连接到框架8。这些联接件的结构是沿力F的方向柔性而沿 其他方向刚性，具体说沿作动方向z刚性。这些柔性联接件例如分别包括柔性关节17、 17b、刚性臂18、 18b和柔性关节19、 19b。该构造允许垫做小 幅旋转，这使得在接触接口处能成型。为了使得浮动夹具的引导更刚性，垫 在平行六面体中的引导可以通过使臂和柔性关节增倍而得到回复。轴4被轴 承22引导，且轴23被另一轴承26引导。框架8连接到引导轴承22和26。 该马达的运行与图1的马达相同。
图5显示了具有根据图4的机械放大器的惯性马达的替换实施例，与图 4的惯性马达不同的是相对驱动子组件21。该子组件的浮动夹具15通过两 个垫16和16b施加力F，这两个垫经由两个弹簧19、 19b压靠轴4的平行 六面体区域，这两个弹簧直接连接到两个垫。垫16和16b通过柔性联接件 连接到框架28。这些联接件结构是沿力F的方向柔性且沿其他方向刚性， 特别是沿作动方向z刚性。这些柔性联接件例如分别包括柔性关节17、 17b、 刚性臂18、 18b和柔性关节19、 19b。该构造具有的优点是能自然地平衡施 加到两个垫上的力并消除传递到？ 1导轴承22和26的力。
图6显示了具有根据图5的机械放大器的惯性马达的替换实施例，其具 有线性板。惯性驱动机构30构成具有压电元件2并通过轴23连接到配重件 33的放大器1，该配重件具有包括接口孔的矩形环形状。配重件33还经由 引导器件31、 31b通过区域32连接到轴4。引导器件31、 31b通过柔性叶片 实现，该叶片根据平行四边形来执行区域32的引导，沿z方向柔性且垂直 方向刚性。这种柔性允许放大器1沿z轴线方向变形，这对于惯性机构30 的运行来说是必要的。该构造使得配重件33的重量被占据且其重心基本移 到板的重心。这使得通过配重件上的、例如由于嵌入应用中的外部振动而带 来的振动效果产生的扭矩降低。相对驱动子组件21与图5的相同。占据浮 动夹具15且包括接口孔的框架28可以沿轴4和23分别通过引导轴承22和 26而平移。框架28的环形形状使得其重心基本位于板的中心，获得上述优 点。为了防止框架28相对于配重件33绕轴线z的相对旋转，固定在框架28 上的引导销可以在长圆形孔34中滑动，允许框架28相对于配重件33沿z 方向相对运动。在该构造中，要被驱动的载荷和板的固定基部可以分别经由 接口孔固定在框架28和配重件33上，反之亦然。惯性子组件30可以相对 于相对驱动子组件21运动，如图1中所示的马达那样。图2所示的所有运 动都被产生。
图7显示了图1马达的另一替换实施例，与其不同之处在于相对驱动子组件31。通过预应力弹簧37和垫36形成的夹具35固定到轴4。框架38是 被夹具35夹持的构件，作用在接口表面39上。当滑动-粘附模式通过被放 大的惯性子组件10实现时其可以相对于垫36、 36b和轴4以相对平移来滑 动。更详细的实施例可以从该附图的内容和从前面附图中得到。具体说，夹 具35可以用关节实现或是对称化的形式，如图4到6的夹具35。
上述不同的马达和线性机构可以在仪器、光学装置、精密机械、制造机 械、诸如开关或接触器这样的配电器和诸如电磁阀这样的流体机械的不同应 用中用于执行具有位置阻挡作用的精确定位功能。取决于需要，它们以开环 或闭环来控制。在这种情况下，设置位置传感器来测量载荷和机械质量件之 间的行程。
线性电-兹阀的整合应用显示于图8中。被放大的惯性子组件40类似于 图1的子系统10。轴4的端部A，通过阀门接口 42来实施，以适于匹配阀门 座43。相对驱动子组件41通过形成阀体的框架48和执行轴4夹持和阀门紧 密密封功能的密封夹具45来形成。阀体包括两个通道47和49,用于在阀体 内部和外部之间循环流动流体。在非常简化的实施例中，紧密密封的夹具45 通过0形环密封件46形成，该密封件的内部直径小于轴4的内部直径。通 过将轴4插入到密封件46留下的孔中，该密封件#1挤压并施加径向的预应 力F，由此执行用于滑动-粘附模式运行所必须的夹具功能。密封件46由 此执行引导轴4沿z轴线平移的第一基本功能。如果必要，为了改善引导， 第二引导件可以增加到配重件侧，如图3。当惯性子組件40按照长行程模式 被驱动时，阀门可以关闭或或多或少打开，由此获得比例电磁阀。这种应用 以更一J&的方式显示了才艮据这种实现轴平移穿过壁面的方法的可能性，同时 防止紧密。该功能例如对于在无菌医疗封闭装置中处理样品很有用。
引导的相对驱动子组件来制造。
图9显示了基于沿方形z起作用的惯性子组件50和相对驱动子组件51 的第一旋转马达，该惯性子组件类似于图1的子系统10。惯性子组件50通 过固定到夹具55的臂56连接到驱动子组件51。夹具55在形成被夹持构件 的旋转轴54上提供柔性预应力F,方位沿轴线y2并穿过M，垂直于图9的 平面。在图9的情况下，夹具55通过带关节的部件57形成，该部件部分地 围绕轴 且在绕点C的接触区域上。带关节的部件57具有略小于轴54直径的空闲内直径并具有径向柔性。当轴插入到带关节的部件57中时，后者 变形，由此产生径向预应力，引起^f呆持扭矩。带关节的部件47还在相对于 轴54的旋转中执行被放大的惯性子组件50的引导。通过压电元件2的非对 称激励循环，惯性子组件50沿z方向朝向点A，施加冲击力，这产生与接触 区域相切的力，导致绕轴54的扭矩。这些相切的力不必平行于由惯性子组 件产生的力。由于夹具55和滑动-粘附模式，被放大的惯性子组件50和特 别是点B，可以绕轴线y2旋转大的角行程或不限制数目的圈数。可以实现点 B'相对于点M的精确角度和动态定位模式，如图2所示。
图9所示的构思还使得能实现球形驱动的马达。在这种情况下，部件54 是在与夹具55的带关节区域56的接触区域具有球形表面的部件。具有与子 组件50相同结构的第二放大惯性子组件朝向点A，固定且沿正交于由轴线x2 和z形成的平面的方向z'起作用。该结构，在部件54的中心，实现绕点M 产生两个有效旋转自由度。为了获得具有三个旋转自由度的球形驱动马达， 三个或更多放大惯性子组件必须沿与经过A，但不与点A，一致的轴线x2垂直 的同一平面中的方向实施在臂56上。
图10显示了基于惯性子组件60和相对驱动子组件61的旋转马达的具 体实施例，该惯性子组件沿方向z起作用。
惯性子组件60包括机械放大器1 ，该放大器包括沿x轴线起作用并通过 游隙占据垫62来保持预压在放大器中的压电元件2。放大器1的接口 63、 64分别在其作动点Al和A2的水平处固定到臂65、 66，而臂本身固定到臂 67、 68。臂67、 68通过沿z方向柔性的弹性联接件71、 71b、 72、 72b连接 到马达固定接口 69、 70。
相对驱动子组件61包括固定到旋转轴79上的夹具75和形成^^皮夹持构 件的定子盘76。夹具75包括涂覆有摩擦涂层77并牢固地固定到轴79的转 子78。轴79穿过盘76并使得预加载力F经由螺母80、弹簧81和轴承82 施加在转子78和定子盘76之间。螺母80使得预加载能被调整。轴承82使 得夹具75相对于定子盘76旋转。定子盘76通过联接件74和74b附接到惯 性子組件60的臂67和68,所述联:4姿件沿zl和z2方向刚性而沿其他方向柔 性。
当关闭电力时，预加载力F保持转子78被阻挡。通过压电元件2的非 对称激励循环，惯性子组件60沿方向z施加动态力。通过^:大器在点Al和A2处产生的力和运动沿相反方向施加。由于对称的原因，点BO被固定且用 作配重件。放大器1在Al和A2处产生的相反运动经由臂65、 66、 67、 68 传递到联接件74和74b。这些联接件沿轴线zl和z2沿相反方向被驱动，这 产生了绕轴79的扭矩。轴79的精确角度和动态定位模式也可以实现，如图 2中所示。
图11显示了基于四个相同惯性子组件90a、 90b、 90c、 90d和相对驱动 子组件91的球形驱动旋转马达的具体实施例。子组件90a例如包括机械放 大器la和陶资件2a。其固定到基部83，用作配重件。子组件90a经由接片 84a作用在相对驱动子组件91上。其他三个子组件90b、 90c和90d具有与 子组件90a相同的结构，但简单地绕穿过机构中心的轴线z以90°布置。相 对驱动子组件91包括相同的夹具85a、 85b、 85c和85d，经由内^M乍用在形 成被夹持构件的杯状物95上。杯状物95具有环形形式，以使得图11更容 易理解，但是优选地具有球形内表面杯状物的形式。要被驱动的载荷固定在 其外表面。夹具85a通过弹簧87a和接片84a形成，在其上垫86a被固定为 与杯状物95接触。夹具85a、 85b、 85c、 85d通过支承件88和万向关节联 接件连接到基部83。该支承部件88穿通，以使得旋转轴92被轴承93引导 地穿过。轴92固定到毂89，该毂牢固地固定到轴94,该轴附接到杯状物95。 毂89被支承件99引导旋转。部件88、 89、 92、 93、 94形成万向关节，其 执行杯状物95绕垂直于轴线z2的x和y轴线旋转的引导。在该结构中，惯 性子组件以推拉方式使用。例如，为了引起杯状物绕x轴线的旋转步进，被 放大的惯性子组件90a和卯c被激励，以便分别地产生接片84a和84c沿相 反方向的运动并利用夹具85a和85c的滑动-粘附模式。以相同的方式，子 组件90b和90d使得杯状物95的旋转步长绕y轴线。这种旋转可以组合， 以形成大的旋转行程。杯状物95相对于基部83的精确角度和动态定位模式 可以实现，如图2所示。
图12显示了包括基于放大惯性子组件IO的驱动机构和相对驱动子组件 ll的系统，加上包括电力供应源96、位置传感器97、传感器调节电子部件 98和控制电子部件99的电子电路100。使用电子电路100适用于图1的情 况，但是也可应用于图3到11所示的线性马达和旋转马达。
电子电路100被设计为向放大惯性子组件10的每个压电激活元件供电。 在更复杂的实施例中，其还实现要被控制的系统的两个被选点之间的相对运动。电力供应源96产生放在第一子组件10的放大器1中的压电激活元件2 必要的电压和电流。其具体实现了要产生的M1非对称激励循环模式，该循 环的每个周期通过短切换t,和长切换t2形成，以便产生机械放大器1的快速 和慢速交替变形。位置传感器97可以电感、电容或光学式无接触传感器。 在限制性实施例中，传感器97可以是变形计。来自传感器97的信号通过调 整电子部件98来调整。控制电子部件99从调整器98获得位置信息并获得 使用者给出的指令，以命令电力供应源96。在感兴趣的具体实施例中，当载 荷固定在配重件3上时，位置传感器97可以是连接到框架8的无接触传感 器并放置成面对配重件3。在这种情况下，图2所示的所有模式M1、 M2、 M3都可以实现且可以通过传感器97测量。控制电子部件99可以在载^^固 定到配重件的位置处被用于执行闭环控制。
在电子电路100的具体实施例中，模式M1下马达的速度通过每个新激 励循环的快速切换与惯性子組件10中残余振动的最大幅度同步化而被增加。 在这种情况下，通过惯性点B获得的瞬时速度对夹具5的滑动有贡献且实现 步长幅值最大化。进而，不必要等到残余振动结束来接续新的激励循环。时 间t2以及激励循环持续时间Te = ^ +12可以由此减少。用于执行每一步长的 激励频率fe-l/Te由此增加。通过同步化获得的步长幅值和激励频率的增加 由此基本增加了马达的平均速度。
同步化总是通过放大器1的放大a易于实现更大的惯性子组件10的残 余振动周期T。其可以通过调整频率fe来实现。其也可以经由控制电子部件 99以通过惯性子组件10的残余振动的测量来激发对电力供应源96的快速切 换顺序来实现。该测量可以直接通过例如在惯性点B的位置传感器97和调 整器98直4妄4丸行。也可以间接地通过分析压电激活元件2的电流来执4亍， 该电流呈现出惯性子组件10的残余振动的图像。
压电激活元件2优选地是具有5mmx5mmxl0mm尺寸的多层压电陶瓷， 其提供V = 150V且电容C = 1.6pF下的20pm的同步化行程。机械放大器具 有接近于a-4的放大比例。由于该放大作用和100gr的配重件，自然频率为 约0.6kHz且自然周期T= 1.6ms。快速切换时间t,——其与周期T相比必须 低——要满足的条件由此容易获得，例如通过采取h = 200|is。在这些条件下， 由于电容C和电压V,当快速切换发生时供电电流1= 1A就足以执行约15(mi 的步长并获得从2mm/s到10mm/s变化的速度，如果同步化实施的话。这种相对弱的电流I使得低消耗的最小化电子电路100以低成本实现。放大比例
接近a = 4还实现实际上获得静态行程Umax = 80pm,其足够高以能用于在许 多精确应用中实现精确定位模式。
权利要求
1、一种精确定位系统，包括第一惯性子组件(10，20，30，40，50，60，90abcd)，包括至少一个压电激活元件(2)和至少一个惯性点(B，B′，B″)，且该子组件能沿作动方向(z)在作动点(A，A1，A2)处产生冲击力和运动，第二相对驱动子组件(11，21，31，41，51，61，91)，包括至少一个驱动构件和一个被驱动构件，这两个构件中的一个经由作动点(A，A1，A2)固定到第一惯性子组件(10，20，30，40，50，60，90abcd)，电子电路(100)，用于根据预定激励循环对第一惯性子组件的每个压电激活元件(2)供电，其特征在于第一惯性子组件包括机械放大器(1)，该放大器将压电激活元件(2)的运动放大，作动点(A，A1，A2)位于机械放大器(1)上，而不与压电激活元件(2)直接接合，驱动构件和被驱动构件是至少一个夹具(5，15，35，45，55，75，85abcd)和一个被夹持元件(4，24，54，76，95)的形式，以允许滑动-粘附运动。
2、 如权利要求1所述的系统，其特征是，压电激活元件(2)相对于第 一惯性子组件的运动方向正交地延伸，且机械放大器(1)通过基本菱形形 状的壳体形成，其内部长轴线包含^皮施加预应力的压电激活元件(2),且其 活动端位于短轴线上。
3、 如权利要求1所述的系统，其特征是，第一惯性机械子组件(IO, 20, 30， 40,50,60,90abcd)包括在惯性点(B)所在侧上的配重件(3， 33, 83)。
4、 如权利要求3所述的系统，其特征是，机械放大器(1)和配重件(3, 33，83)形成单体部件。
5、 如权利要求1所述的系统，其特征是，第二相对驱动子组件(11,21,31， 41)包括轴(4、 24)，该轴允许相对于夹具(5， 15,35)的相对平移运动。
6、 如权利要求5所述的系统，其特征是，机械放大器(1 )的惯性点(B ) 或其伸长部(B'、 B")被引导平移。
7、 如权利要求6所述的系统，其特征是，惯性点(B)的引导通过在轴承(14、 26)中滑动的轴(13、 23)执行。
8、 如权利要求5所述的系统，其特征是，配重件(33)通过联接件(31, 31b,32)固定到轴(4)，该联接件沿轴线z是柔性的且沿其他方向是刚性的。
9、 如权利要求5所述的系统，其特征是，夹具(15)通过被压在框架 (8 )上的弹簧(7, 27, 27b)所压到被夹持构件(4, 24 )上的至少一个垫(6, 6b,16, 16b,36, 36b)来实现。
10、 如权利要求5所述的系统，其特征是，夹具(15)包括两个垫(16、 16b)，所述两个垫通过弹簧(29)彼此连接且被压到被夹持构件(24)上。
11、 如权利要求5所述的系统，其特征是，夹具(5)通过被固定到轴 (4)的弹簧(37、 37b)所压到框架(38)上的至少一个垫(36、 36b )来实现。
12、 如权利要求9到11中任一项所述的系统，其特征是，垫(16, 16b,36, 36b)被沿z轴线方向是刚性的弹性连接联接件引导且在其他方向被柔性联接 件引导。
13、 如权利要求5所述的系统，其特征是，夹具(41)通过挤压柔性密 封件(46)来实现。
14、 如权利要求13所述的系统，其特征是，密封件(46)还执行紧密 功能。
15、 如权利要求5到14中任一个所述的系统，其特征是，轴(4)用于 打开和关闭阀门。
16、 如权利要求1到4中任一个所述的系统，其特征是，第二相对驱动 子组件(51， 61， 91)包括至少一个引导器件(54, 57, 79, 82, 88, 89, 92, 93)，允许 驱动构件和被驱动构件之间或夹具(55, 75， 85abcd)和被夹持构件(54， 76, 95) 之间的相对旋转运动。
17、 如权利要求16所述的系统，其特征是，第一惯性子组件(50)与 被轴(54)引导的臂(56)协作地工作，以实现旋转马达。
18、 如权利要求16所述的系统，其特征是，至少惯性子组件(50)作 用在被摆销(54)引导的臂(56)上，以实现球形驱动马达。
19、 如权利要求16所述的系统，其特征是，第一惯性子组件(60)在 每个臂(67、 68)上施加相反的作动力，以在通过柔性联接件(74、 74b) 固定到臂(67、 68)的毂(76)上产生扭矩。
20、 如权利要求16所述的系统，其特征是，多个惯性子组件(90abcd) 对部分形状是环或杯状物(95)的表面相切地施加其作动力，以实现具有两 个自由度的球形驱动马达。
21、 如权利要求l所述的系统，其特征是，压电激活元件(2,2abcd)的电 子电路(100)产生由快速切换和慢速切换形成的非对称激励循环，以实现 长行程定位模式(Ml)。
22、 如权利要求l所述的系统，其特征是，压电激活元件(2,2abcd)的电 子电路(100)输送可调整的DC电压，以实现精确定位才莫式(M2)。
23、 如权利要求l所述的系统，其特征是，压电激活元件(2,2abcd)的电 子电路(100)产生可变电压，以实现动态定位模式(M3)。
24、 如权利要求21到23中任一项所述的系统，其特征是，电子电路(100) 包括电力供应源(96)、位置传感器(97)、调整器(98)和控制器(99)， 在载荷的相对位置中实现闭环控制。
25、 如权利要求1到24中任一项所述的系统，其特征是，机械放大器 (1 )包括配备有緩沖材料(12)的区域。
26、 如权利要求1到25中任一项所述的系统，其特征是，机械电力供 应源(96)包括激励循环的快速切换器件，该器件与惯性子组件(10)的最 大残余振动同步。
27、 如权利要求26所述的系统，其特征是，电子电路(100)包括用于 测量惯性子组件(10)的残余振动的器件，以执行同步化。
全文摘要
本发明涉及使用基于机械放大器的惯性马达的精确定位系统，该机械放大器包括第一放大惯性子组件(20)，该惯性子组件包括机械放大器(1)、压电激活构件(2)和配重件(3)。第二相对驱动子组件(21)，包括夹具(15)和附接到第一惯性子组件(20)的被夹持构件(24)。第一惯性子组件的非对称激励循环产生冲击力和被沿驱动方向(z)放大的运动，由此实现被夹持构件在夹具中的滑动和粘附的连续，以便产生点A和相对于点D的相对平移运动。机械放大器(1)增加了步长尺寸并减少了供应突入电流。点B相对于点D的精确和动态定位可以用使用放大器(1)的放大行程来实现。
文档编号H01L41/09GK101681986SQ200880016239
公开日2010年3月24日 申请日期2008年3月12日 优先权日2007年3月14日
发明者弗兰克·克拉埃森, 弗朗索瓦·巴里洛特 申请人:锡德雷特技术公司