专利名称：近共振机电电动机的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及微型电动机，尤其涉及具有机电材料(electromcehinical materials)的驱动元件的电动机。
背景技术：
现有技术的许多微型电动机以机电驱动元件的超声操作为基础。超声电动机的许多设计如US 5,453,653是以基本上垂直于让驱动元件在其上面操作的表面而延伸的驱动元件为基础的。当设计小型电动机时，沿这样一种方向的尺寸常常特别重要，因此这种设计常常不能应用。在US 5,136,200中，垂直于该操作表面的主要延伸是有限的，但使用弯曲振动和膨胀/收缩驱动部分的复合操作使总设计十分复杂。在US 5,233,258中公开一种板式进料器，该进料器包括一个有两个用一驱动部分连接的主动元件的驱动器。这些主动元件可以沿纵向延伸，并间接地产生该驱动部分的一个弯曲和移动作用。在EP 0978 887中，一个强制进入共振的主动元件相对于一个本体移动两个驱动部分。通过选择合适的共振频率，这些驱动部分可以被引起彼此不协调的振动。
利用现有技术微型电动机的普遍问题是，它们或者在低速下用小的力操作，或者在一个围绕共振频率的非常窄的频率范围内操作。大多数现有技术的电动机也需要相当高的电压和电流。
发明概要本发明的一个目的是提供一种电动机，其中减小了围绕该本体的电动机体积。本发明的另一目的是提供一种具有高速、高驱动力而能在相当大的频率范围的操作的电动机。又一目的是改善动力消耗和降低驱动电动机的电压。本发明的又一目的是减小对电动机运动部件的磨损。又一个目的是提供具有自动定中心性能的电动机设计。
上述目的是通过一种按照本发明的机电电动机而达到的。总起来说，该机电电动机有一个带一驱动元件的定子，该驱动元件包括两个串联的弯曲区段和一个用于在待移动的本体上驱动的中心驱动垫。该驱动元件平行于该本体的表面而延伸。该驱动垫和/或该本体是弹性的。最好是，该驱动垫的刚度小于该本体。该驱动垫的弹性能够吸收外加在驱动元件上的行波的能量的一个不可忽略不计的部分。该驱动垫的弹性优选地限制小于所通过的行波的周期时间一半的压缩时间。该驱动元件最好是对称地围绕该驱动垫。该定子的构架设置成限制该驱动元件移动离开垂直于主移动方向的本体。但是，同时，它允许驱动元件向着该本体平移，甚至较短时间地脱离与该构架的机械接触。支承机械最好与凸表面一起设计，以便使电动机的不同部分能自动对中心。
一种按照本发明所述的电动机允许驱动元件比现有技术电动机中的更自由地弯曲，该驱动元件转而打开而用于有更高效率的更多运动方式。其次，平行于该本体的主要的几何形状能尽可能减小空间要求。
附图简述与附图一起参照下列描述可以最好地了解本发明及其其它目的和优点，附图中
图1例示本发明的电动机的一个实施例；图2a和2b是本发明的驱动元件的运动行为形象化的示意图；图3例示本发明的驱动垫接触点的典型椭圆形轨道；图4a～4c例示本发明的驱动垫的不同实施例；图5例示用于本发明的一种驱动元件的附接配置；图6a和6b例示本发明的驱动元件的机械支承结构的不同实施例；图7是利用凸形支承结构来支承驱动元件的优点的示意图；图8a和8b例示本发明的单压电晶片驱动元件的实施例；图9是本发明的单压电晶片驱动元件的另一实施例；图10例示说明附接点和驱垫切向运动之间的关系；图11例示可以用于本发明电动机的轨道；图12例示本发明的一种浮动弹簧单元装置的实施例；图13例示有一内弹簧机械的轨道；图14例示一个具有双驱动元件的电动机的实施例；图15例示另一个具有双驱动元件的电动机的实施例；以及图16a、16b例示一个用于本发明电动机中的驱动元件的实施例。
本发明详述大多数驱动器材料的特征可以描述为机电材料，但在本公开内容中，我们预期该材料当外加压力或电流时会改变其形状。机电材料的典型例子是压电材料、电致收缩材料和反铁磁性材料，这些材料可以是单晶，也可以是多晶或非晶。
图1中例示按照本发明的电动机10的一个实施例的主要部件。尺寸并不始终以真实并系例示，而是选择以清晰的方式例示重要的作用和关系。驱动元件1配置成基本上平行于待移动的驱动轨道7。驱动元件1由两个弯曲区段2、3组成，中间位置处有一驱动垫4。换言之，弯曲区段2、3沿轨道7的预期的主要位移方向沿轨道7的表面串联配置。弯曲区段2、3是可以垂直于主要位移方向而弯曲的长形区段。在该实施例中，这些弯曲区段是用双晶压电元件制成的。每个双晶元件包括两个平行的可以单个激励的主动体积15～18，由此，通过提供带有不同电压的主动体积15～18，可获得弯曲作用。
沿正交方向用法线力N对着驱动轨道7与驱动垫4一起压紧驱动元件。该法线力是通过弹簧机构8施加的。在该实施例中，弹簧机构8也包括辊11，用作轨道7的平移移动的轴承。该弹簧也可以机械地连接在构架部分9上，或没有连接，取决于该特定的实施例。在该实施例中驱动垫4用一根沿垂直于轨道表面的方向显示一定的弹性作用的管子形成。
为了列举本电动机中涉及的不同方向，定义一个用于说明所有本公开内容中不同方向的局部坐标系统14。主位移方向用X表示。轨道7表面的平面平行于该方向。轨道7表面的法线即垂直于轨道7表面的方向沿负Z方向指引。因此驱动元件基本上沿X方向延伸，而弯曲区段2、3的弯曲运动指向Z方向。Y方向定义为垂直于X和Z方向两者的方向。
驱动元件1保持部分地固定在定子或构架部分9上。运动限制机构12、13阻止驱动元件1以平移方式沿主移动方向即X方向移动。其次，在该实施例中，这些附接机构12、13也响应而保持驱动元件1沿Y方向基本上平移地固定。运动限制机构12、13由沿X和Y方向延伸的可弯曲材料的薄片组成，从而给出沿X和Y方向的高的平移刚度，而沿Z方向提供低的刚度以及可围绕X轴转动。
驱动元件1的运动进一步受两个机械支承件5和6的限制。机械支承件5、6的位置靠相近相应弯曲区段的端部，即在离两个弯曲区段之间的连接处的显著距离处。在本实施例中，机械支承件5、6用于阻止驱动元件1离开轨道7的大的平移运动，并由两个半球部分形成。在该实施例中，这两个半球部分附接在驱动元件1上，当驱动元件1和轨道7彼此相对地压紧时，两个半球部分与弹簧机构8机械接触。机械支承件5、6和运动限制机构12、13都是控制允许的运动方式和驱动元件范围的一般附接机构的部件。
元件的总体积与输出功率有关。驱动元件沿轨道7的延长部使得更易于根据一个行波来设计一电动机。该驱动元件的小的厚度和宽度将使其可以选择一个不太高的合适的驱动频率。毫米尺寸的更紧凑的元件通常具有MHz范围的共振，这种共振在许多用途中可能是不允许的。这种沿驱动轨道延伸的类型的元件能易于设计一种非常紧凑的电动机。
该电动机的操作可描述为一种行波和驻波超声电动机的组合。这示意地例示于图2a～2b中。为了便于图的理解，只示出驱动元件1的主要部件。电动机通常由驱动元件1的弯曲区段之一即区段3给出的电脉冲来驱动。这种弯曲将诱生一个从图2a中左边的第一端部21向右行进(用箭头19指示)的波。如果没有损失，该驱动垫将是自由的，而电动机以驱动元件1的共振频率操作，该波将在驱动元件1的另一端部20处反射而产生一种结构性干扰。在图2b中，示出在第二级共振频率处的行为。驱动元件1将因此开始以共振方式振动，节点位置沿元件厚度方向在支承件5、6之上和驱动垫4之下。驱动元件1通常由附接元件12、13沿切向机械地支承在驱动元件的中线附近。机械支承件5、6沿Z方件支承该元件，或在靠近节点位置处更正确地限制驱动元件的运动偏离轨道。然后驱动垫4将因而沿用箭头22指示的切向即沿X方向振动。
沿正交方向即Z方向没有任何运动，该切向运动不可能用于产生驱动轨道的运动。获得正交运动的最直线向前的方式是以稍许偏离共振的频率操作电动机。接近共振频率而非刚巧在共振频率处的行波的叠加将使驱动垫4的接触点/区域也沿Z方向移动和在一定程度上沿椭圆形轨道移动。采用非对称的电驱动，例如当一个时间只有一个弯曲区段被驱动时，考虑到在反射前一定量的弯曲能量受损失，该正交运动将增强。切向运动和正交运动的复合将造成驱动垫4的接触点椭圆形轨道移动。这样一种椭圆形轨道示于图3。该椭圆形轨道25的长轴的角取向将取决于振动能量的多大部分将受损失或转移以及取决于频率。对于低于共振频率的频率，该长轴通常沿顺时钟方向转动，反之亦然。图3中的虚线26表示频率接近共振的轨道。该驱动垫将起一个具有弹簧常数的合适匹配的弹簧的作用，而等效的运动质量将进一步放大该正交的运动。驱动元件有两个重要的正交运动，一个是沿Z轴的平移，另一是围绕Y轴的转动。后者当机械支承件没有连接在构架结构上时通常是优选的。当与弯曲区段3一起驱动时，机构支承件6将断续地脱开。也可以调整机械支承件5、6的弹簧常数，以改善该正交振动。
通过给驱动元件的主动部件提供合适的电压信号，可达到该操作。在图1中，这些信号是通过电压源50提供的并例如通过附接机构13传送给驱动元件的。适于此种操作的电压源50是该技术的专业人员熟知的，可以买到。
该操作可以通过细心设计电动机中的各种部件而进一步改善。本发明的不同方面聚焦于各种细节。首先考虑驱动垫的弹性。本发明中的术语“驱动垫”用于表示预定作为轨道和弯曲区段之间的接触部分而操作。在该术语内预期包括任何形状和材料。驱动垫应当按照本发明做成能对给定的用途具有最佳性能。因此通常适应于不同情况。但是，下面给出这些适应性的一般想法。
我们首先考虑例如图1中的驱动垫4，该垫极硬并对驱动轨道7有极大的摩擦。此处认为驱动轨道7无限硬。当弯曲区段3受激励时，一个弯曲波将开始从左行进到右。在相当坚硬地固定的驱动垫位置中，一个较大部分的行波能量(通常近似地为全部能量)将被驱动垫4反射而通常难于获得稳定的操作。硬驱动垫和/或驱动本体通常给出不稳定的运动而难以获得所要性能如高的力和高速。其次，如果可以获得操作，由于在驱动垫和驱动轨道之间短时间接触期间接触表面中积累的大的力，驱动表面上的磨损很大。垂直于主移动方向的提升距离变小。这在接近共振频率时尤其重要，因为中间的节点几乎与非弹性的驱动垫一起移动。因此驱动垫应当是弹性的。
如果另一方面驱动垫4非常软，那么行波将通过驱动垫4而没有任何显著的能量传送到驱动轨道7。这表明驱动垫4应当小心设计，以便在行波和轨道7之间给出最佳的能量传递。当行波沿正交方向(Z方向)通过时，在驱动周期的摩擦期间，驱动垫4通常应当是受压的。对于带有椭圆形接触点轨道的驻波超声电动机，常常认为约半个周期时间的压缩为理想值。但是，按照本发明对电动机进行的实验通常对较短的接触时间给出更好的结果。这可能是所建议的偏离共振操作的效果，其中椭圆形轨道是倾斜的。
因此驱动垫应当是弹性的。最好该垫的刚度小于待移动的本体。其次，驱动垫的弹性应当允许吸收通过的行波的能量的不可忽略的部分。在大多数实施例中，驱动垫通常做成其质量小到与驱动元件的质量相比可以忽略不计，而共振频率远高于电动机的操作频率。
驱动垫4方便地用金属管、陶瓷管或聚合物管制成，而沿正交方向和切线方向的弹簧常数因此达到由几何尺寸和材料性能所给出的大的程度。但是，其它参数也可能很重要。如图4a中所示的将管子31固定在驱动元件1上的粘胶结合部30的厚度或如图4b中所示的在管子31顶上的附加的摩擦垫32例如将至少沿切向改变弹簧常数。事实上可以注意到，利用参数的正确组合，可以获得行程的放大。为了获得理想的状态，频率范围和摩擦系数的选择常常起重要作用。
为了沿切线和正交方向(X和Z方向)有不同的弹簧常数，也可以设计驱动垫4。图4C中示出一个例子。这里示出一种有大体上矩形截面的驱动垫4。顶部33稍许弯曲，整个构造沿Z方向有一大的弹簧常数，即驱动垫4沿Z方向对力相当坚硬。但是，沿X方向的弹簧常数要小得多，沿该方向的驱动垫4的外观要软得多。
应当指出，当驱动垫4没有从驱动轨道7完全分离时，也可以获得操作。但是，当垫4从轨道7撤离时，对着驱动轨道7的即时有效压力将较低。这将产生一种用于产生驱动轨道7的合成运动的所谓“粘住-滑动”型驱动机构。
实际上，驱动轨道7可以有一种不可忽略的刚度。这意味着，驱动垫4和驱动轨道7两者的刚度最好必须一起考虑和设计而给出响应驱动元件中的行波的所要动力学性能。容易理解，此时可以利用一弹性轨道7。这通常产生某些复杂性，因为轨道的质量很少能忽略，而整个轨道可能以不希望的方式开始振动。因此优选的是采用与一弹性的驱动垫组合的硬轨道。
如上所述，驱动垫和驱动轨道的弹性将增大驱动垫接触点的正交运动，但为了获得良好的轨道，也应考虑机械支承件。因此最好也应设计机械支承件而对驱动元件给出正确的动力学响应。以如驱动垫的相似方式，可以使用与机械支持件结合的弹簧常数来改善性能。这里，必须考虑与有关的定子部件组合的机械支承件的弹簧常数。在本发明的电动机的一个实施例中，在驱动元件和定子构架之间的连接中可以使用一个可弯曲的印刷电路板和一弹簧来改善电动机的操作性能。通常，该可弯曲的印刷电路板应当硬到足以给出沿X方向的快速响应，但不能太硬而产生共振。该弹簧通常也设计成在操作频率间隔上不叠加任何大的振动。但是，弹簧的弹簧常数和等效质量可调整到沿切线方向(X方向)给出驱动垫运动的半共振放大。
对于共振操作，机械支承件的正确位置不是关键的。通常，当希望高速操作时，使用第二弯曲方式用的节点位置。但是，可以使用其它共振方式，尤其是偶数序列的弯曲方式。当使用偶数序列的弯曲方式即有奇数的节点的方式时，优选采用驱动元件的对称设计。在这些情况下驱动元件的行为是对称的，与行波诱生于哪个端部处无关。然后驱动垫位于对称线上，而机械支承件位于与对称线相等距离处。但是，在沿正负X方向运动的要求分别不同的用途中，驱动元件的不对称设计可能是有利的。
机械支承件可以用不同方式制成。在图5所示的非常简单的情况下，机械支承件是驱动元件1和可弯曲的印刷电路板35之间的焊接结合部34。然后可弯曲的印刷电路板35转而紧固在定子9上。这种配置使结合部34有双重作用，既作为附接机构，又作为机械支承机构。首先，由于与定子9的连接和可弯曲的印刷电路板35的平面内的有限的弹性，沿X和Y方向的平移运动基本上被阻止。其次，定子9阻止驱动元件沿负X方向移动太远，而可弯曲的印刷电路板35为焊接结合部34的倾斜提供在围绕一个沿Y方向指引的轴的小角度的可弯曲性。
机械支承件也可以用作为以其它方式附接在驱动元件、弹簧或定子上的一部分的其它细部而形成。按照本发明，最好利用具有凸面的第一表面和第二平表面之间或两个弯曲表面之间的接触。该第一表面例如可以有一个半球形，而第二表面可以基本上是平面，具有带平表面或凹表面的孔穴或凹坑。第一表面可存在于驱动元件上，而第二表面在定子/弹簧上，反之亦然。在图6a中，驱动元件1设有凸出部分36，其中围绕尖端的区域有一凸出部形状。凸出部分36相对于弹簧8搁置。(注意在其它实施例中，驱动元件可代之以与定子直接接触。)在图6b中，保持这些状况。此处弹簧8包括与驱动元件1的表面保持接触的半球37。
当试验本发明的电动机时，使用钢或类似材料制成的半球作为附接在驱动元件上的机械支承件有好的经验。例如可用钢珠轴承的钢珠。这样一种配置示意地示于图7中，沿主移动方向即沿X方向。半球5有许多优点。一个重要的性能是它们允许驱动元件1使驱动垫4对着驱动轨道7对准。采用沿轨道7和驱动垫4之间的接触面积的均匀压力分布和当完全对准时，一个圆筒形驱动垫4将有沿Y方向对着驱动轨道平表面有一线性接触。这对合适的操作是重要的，因为给出太大的倾斜转矩M的太大的角度准直误差将大大地降低电动机性能。由于该小截面，围绕X轴的惯性矩将很小而围绕该轴的转动加速度将很大。因此该驱动垫可能不合适地松开。如果有一个太大的倾斜转矩M，该有效的弹簧常数也可能改变。使用半球38的另一重要作用是相对于此种不需要的倾斜转矩M稳定驱动元件1。这是因为，由于与部件如弹簧8或定子9的质量的机械接触，惯性转矩将显著增大。利用电动机的其它部件，也可获得这种稳定。
利用半球38的第三个作用是它能改善驱动元件1本身的运动。如果定子构架没有与驱动元件机械地连接而只是用弹簧力对着它压紧，那么定子构架将不会承受任何大的弯曲的限制力和转矩。
其次，对着承载器固定的驱动元件不可能像只是对着承载器压紧的元件那么大地弯曲。因此需要大电压和大功率的现有技术的元件给出如本发明中的同一性能。而且获得固定的驱动元件的驱动垫的大的Z运动比对一沿向着待移动的本体的方向稍许自由移动的驱动元件要困难得多。因此该驱动元件在没有限制向着本体的任何运动的固定的机械连接的意义上是自由的。但是离开该本体的运动是受限制的，因为该驱动元件然后将遇到定子构架或弹簧，取决于实施例。该“自由的”驱动元件在一次典型的操作中将离开在一侧处与构架的机械接触，这对整个操作是有利的。该驱动元件将因此有较大的自由度，能够进行新的运动方式。
驱动元件1的主要部分能以许多不同方式制成。在一个优选的实施例中，驱动元件1由带两个弯曲区段2和3的单片式压电梁组成，如图1中所示。在弯曲区段2、3之间，有一个被动部件39，其上附接驱动垫4。该特定实施例中的弯曲区段2、3由能用电场(图中未示出)激励的压电材料的两个体积15～18组成。通常，利用一多层构造来减小驱动电压。这种弯曲将由该双晶构造产生。利用沿正交方向(Z方向)的电场，压电材料15～18将沿驱动元件1的纵向即切向(X方向)收缩或膨胀。如果仅仅主动体积之一(如17或18)受激励，将产生弯曲区段3的弯曲。
利用一种带一个压电体积和其它材料的夹层结构可以获得相似的行为。图8a中示出一种这样的构造。金属板41有一凸出的区段40。该凸出的区段40将起驱动元件1的驱动垫4的作用。一个可弯曲的印刷电路板42通常用粘胶附接在金属板41上。在可弯曲的印刷电路板42的另一侧面上是附接的机电功能的主动元件43和44。在该实施例中主动元件43、44为带有平行于金属板41的电极的压电板。当激励压电板43、44时，由于双晶作用，金属41和压电板43、44的夹层将弯曲。因此以这种方式将容易地构成两个带一中间被动区段的弯曲区段。每个弯曲区段包括两个部分一个主动的机电元件43、44和一个被动的金属板部分41。这两个机电元件43和44不必是两个分开的部件而可以制成一件。
如表示驱动元件1的顶视图的图8b中所示，该情况下的机械支承件可以是由较大的金属板41中的蚀刻孔45形成的弯曲的合页46。此种合页46有效地阻止任何平移运动，但允许围绕沿Y方向轴线的较小的转动运动。因此合页46同时是附接机构和机械支承机构。在这里机电元件43、44附接在金属板41下方。
根据用途，这些机电元件可以附接在金属板的任一面或两面上。图9例示一个预期与一外部弹簧一起使用的驱动元件。这里的结论是，具有用作机械支承件的金属板41的整体球形凸出部47是方便的。在该情况中，机电元件43和44置于与驱动垫4同侧。
在许多情况下，甚至金属板41本身也能用作弹簧机构，在正交的Z方向产生必需的力。这样做的一个特定的优点是，可以将金属板41做成与驱动元件1同时振动，以增强驱动垫4的接触点的X运动。如果在一以图8a、8b的驱动元件为基础的电动机中要求同样的行为，可以将弹簧设计成具有合适的振动行为。
驱动元件的附接点的位置对于最佳的性能是重要的。这示于图10。阻止沿切向或X方向平移的机械附接应当位于尽可能靠近轨道。常常，空间受限制，因此一个靠近驱动元件1的中线或在驱动元件1的如驱动垫4的同一侧上的位置将是一优选的解决办法。这在驱动元件1的切向振动的夸张示意图中易于看到。当驱动元件1按照图10弯曲时，此时驱动垫4的接触点将向右边弯曲，因为驱动元件或多或少地围绕中心的中线弯曲。如果附接点和驱动垫之间的距离在不弯曲状态下为T0，那么驱动垫的接触点相对于附接点的位置T在弯曲状态下将是T＝T0+D1·sin1+D2·sin2式中D1是从中线到驱动垫接触点的距离，D2是中线上方的距离，其中附接机械12、13有其附接点，而1和2分别是驱动垫上和附接点上的弯曲角。与图1的实施例不同，该实施例中附接机构12、13紧固在驱动元件的上部。此处可见，驱动垫的接触点的切向运动对于增大的D2距离也是增大的。“负”值的D2距离即中线下方的附接点将相反地减小切向运动。因此效果是，中性线同一侧上的附接点将增大电动机每步的切向运动。因此，如果需要高速，这是特别重要的。
在夹层类型的驱动元件中(如见图8a)，切向附接可根据用途需要来选择。采用沿可弯曲的印刷电路板42的附接，该切向附接将基本上沿在该构造中不产生不需要的转矩的中线。
在本公开内容中，“轨道”和“本体”用于表示待移动的电动机部件。这些术语应当按广义解释，包括具有相对于其能操作驱动元件的表面的所有种类的对象。也可以设计待移动的轨道和本体来以许多不同方式改善电动机操作的性能。刚度和弯曲振动是要考虑的头两个参数。与所选的驱动垫组合的刚度应当匹配行波周期时间。弯曲振动在频率操作范围内应当最好可忽略不计。其次必须选择摩擦系数和磨损特性。这些参数通常与特定用途相联系。长寿命通常要求小的磨损而正常情况下摩擦系数也需减小。具有减小的摩擦系数，切向力也将较小，而折中常常处在大的力和小的磨损之间。平整度和粗糙度也很重要，但采用圆筒形的或类似的驱动垫，平整性并非关键。但是，粗糙度应当小于正交方向(Z方向)的驱动垫运动或与其同一量级。如早先提到的，在驱动垫和轨道之间没有任何总余隙时，也能获得操作，在这种情况下，粗糙度也必须是小的。
轨道的形状可以做成使准直误差最小。如果驱动元件更牢固地附接(如胶粘)在弹簧或可弯曲的印刷电路板上，那么如图11中所示，轨道7的圆筒形表面51将补偿准直误差。利用平面轨道上的球形驱动垫，可以或多或少地获得同一效果。
沿正交方向(Z方向)产生力N的弹簧机构可以用几种不同的方法制成。如果先曾提到的，它可以组合在一夹层配置中，或者如已出版的国际专利申请书WO 00/44208中说明的，可以简单地是可弯曲的印刷电路板本身。但是，在许多用途中，分开的弹簧是有利的，而利用该弹簧机构的各种性能，电动机的行为可以最优化。
要考虑的第一个性能是正交力即沿Z方向的力。最佳的正交力取决于各种参数如驱动垫和轨道之间的摩擦、驱动垫和轨道的刚度、轨道的粗糙度、加在驱动元件上的电压、所用机电材料的种类、驱动元件的实际设计情况、所要的切向力等等。通常该正交力必须通过实验来最优化。该正交力将通过驱动元件的数目与驱动垫和轨道之间的摩擦系数来决定该切向力。
下一个要考虑的参数是弹簧的弹簧常数。通常，这与电动机构造中的容差直接联系，而弹簧常数应当这样选择，使得弹簧力不允许的联合容差范围内其变化不会超过约10％。
如图12中所示，围绕Y轴的转动刚性也是一个非常重复的参数。弹簧机构8大体上形成U形，具有上法兰52和在装配状态下平行于上法兰的下法兰53。取决于用途，需要各种形状，例如对管状配置的弹簧可以有C形。注意坐标系统的取向。如果弹簧机构的可弯曲性能太大，当发送多个驱动脉冲时，电动机的响应将很差。然后电动机驱动元件将可以围绕Y轴转动。在驱动元件能够沿X轴产生足够的切向力之前，将因此需要较大数目的脉冲。通常根据驱动元件的步进长度和作为产生一定运动的步进次数而给出的所要响应来调整刚度。
取决于电动机构造，与驱动元件接触的面积的平行性或多或少也很重要。如早先提到的，围绕X轴的转矩应当是最小的。否则，可能高度限制电动机功能。利用平行的法兰52、53，转矩可以减小。但是，可以通过弹簧的自身定中心来得到一个可以忽略不计的转矩。如果弹簧压在半球或类似的部件上，而与电动机的其它部分没有任何接触，就可以得到非常小的转矩。因此弹簧浮在电动机配置上。通常，如下面将更详细地说明的，这是用两个或更多个驱动元件的配置来完成的，但只用一个驱动元件也可完成类似的状况。在这种情况下，该弹簧将有一个与电动机其余部分在位置54处接触的弹簧法兰53，而弹簧法兰52与电动机在位置55处接触。两个位置54应当附接在电动机上相对于与驱动垫和轨道之间的接触平面平行的平面的半球位置的镜象位置上。为了保持驱动元件不滑动，由凹抗、孔穴或给出合成力N的其它几何形状细部基本上只在Z方向。
弹簧材料应当最好是一种在电动机寿命期间具有低的蠕变或塑性形变的材料。常常希望在弹簧内有一个吸收薄膜，以减小噪声、减小不需要的振动与增大半球和弹簧间的摩擦。该薄膜可以是一个沉积在弹簧上的塑料薄膜，或者该弹簧可以由两种组合在一起的不同材料如金属和塑料或纤维增强塑料组成。
在某些用途中，具有将驱动元件压向轨道的外部弹簧不太方便。可能难以找到安置应当具有合适性能的弹簧的位置。在这些情况下，如图13中所示，驱动轨道7本身可以具有弹簧作用。此处图示一个有两个驱动元件1对称地安置在轨道7的每一侧的电动机。在最简单的情况下，轨道7分为中间有弹性材料62的两部分60、61。一个刚性构件63限制可用的空间，当整个配置装入构件63中时，弹性材料62受到压缩，它转而产生弹力。
该弹簧作用也可以通过各种几何形状解决办法如簧片、弯曲接合部等而完成。
电动机可以用一个或几个驱动元件制成，如例如图13中所见。利用两个彼此相对安置的驱动元件，通常能得到一种稳定的操作，如图14中所见。此处，两个驱动元件由其在轨道7相对两侧上的驱动垫4驱动。轨道7通常在一定程度上通过驱动垫4的作用而保持在位置中，但轨道7也需要从电动机或用途中的其它部件来的额外支承。管状驱动垫4将阻止围绕X轴的转动。通常，需要阻止围绕Y轴和Z轴的振动与沿Y轴和Z轴的移动的圆柱形轴承表面64。这些圆柱形表面64可以对称地配置在轨道7如带两个在其上面驱动的平表面65的棒状轨道7的两侧上。或者是，如图15中所示，如果管状部件66在管状支承构造67中移动，那么这些圆筒形表面可以是侧面安装的用途的一部分。
图16a是单片元件70的实施例，该元件作为本发明的驱动元件1的主要部件工作良好。注意，与早先的图比较，本图是上下倒置的。单片元件70由一种对低电压给出高应变的软压电材料制成。单片元件70包括四个主动区段71～74。每个主动区段71～74为多层，而主动区段71～74配置成两对，产生两个由被动的中心区段75连接的弯曲区段2、3。这两个弯曲区段与两个其常恒压电极(地线G和电压U)一起分别由电极A和B进行电控制。连接原理示于图16b。当然，也可用硬压电材料作出类似的配置，但电极和极化作用将改变。然后图16a中的两个恒压电极垫U和G可以连接到地线。
为了使驱动元件1简便地安置和焊接在承载架如可弯曲的印刷电路板上，电压的接触垫A、B、G、U应当安置在图16a中向上引导的驱动元件1的平面上。主动体积71～74进一步减到最小以节约能量。一个弯曲区段中的主动体积71～74之间的体积如图16a中的主动体积71和72之间的体积对弯曲作用贡献不大因而能留下不受驱动。而且，该主动体积不需一直延伸到驱动元件1的中部a，而可以在位置b处结束。这里因为该中心被动体积75对有用的弯曲作用贡献不大。同样理由，主动区段71～74也可在离驱动元件1的各自端部一定距离的位置C处结束，留下各自的被动端部部分。
这些电动机通常沿一个方向用电极A而沿另一方向用电极B驱动。这些电极通常称为电动机相位。当用相位A驱动时，相位B或者浮动或者连接在一固定电位上。两相位驱动也可以，但用一相位操作最方便。因为可获得几个不同的驱动机制，轨道或本体的移动方向将取决于电动机设计的实际选择。通常，当电动机调整到用电极A驱动将产生向图16a中左边移动时能获得最佳性能。然后该机制类似于一种行波机制。
波形不太关键，用方波代替正弦波产生性能的改善。驱动频率可从亚音速到超声频率。该技术的任何专业人员均可容易地按照现有技术使用标准电压源以提供合适的电压信号。为了定位目的，可方便地继续使用一个或几个脉冲。常常希望用非常小的电压驱动该电动机，这可以用一个与电动机电极串联的电感部件来完成。该电感可以选择为接近电动机相位或与该相位共振，而该相位上的电压幅度将比外加到串联的电感和电动机相位上的电压幅度高得多。
该技术的专业人员将会理解，本发明可作各种修改和变化而并不偏离由所附权利要求书所限定的本发明的范围。
参考文献US 5,453,653US 5,136,200US 5,233,258EP 0 978 887WO 00/44208
权利要求
1.一种机电电动机(10)，包括定子，有一驱动元件(1)和一构架部分(9)；沿一主要移动方向由所述驱动元件(1)移动的本体(7)；配置成在所述驱动元件(1)和所述本体(7)之间施加一法线力(N)和弹性机构(8)；所述驱动元件(1)又包括一第一(2)和第二(3)弯曲区段，大体上沿所述主移动方向而伸长，彼此沿所述主移动方向成串联连接；所述第一(2)和所述第二(3)弯曲区段每个有一沿所述主移动方向且基本上平行于所述本体(7)的驱动表面而相互连接的第一和第二部分(15～18；41，43，44)；所述第一部分是一个沿所述主移动方向呈现尺寸可变性的主动机电元件(15～18；43，44)；以及配置成在所述本体(7)上驱动设置在接近于所述驱动元件(1)的中心的点上的驱动垫(4)；所述驱动垫(4)和所述本体(7)中的至少一个是弹性的。
2.按照权利要求1的机电电动机，其特征在于，所述驱动垫(4)的刚度小于所述本体(7)的刚度。
3.按照权利要求1或2的机电电动机，其特征在于，所述驱动垫具有能够吸收施加到所述驱动元件(1)上的行波能量的一个不可忽略的部分的弹性。
4.按照权利要求1～3中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述驱动垫(4)有一个当行波通过小于其周期时间一半时限制压缩时间的弹性。
5.按照权利要求1～4中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述驱动垫(4)相对于所述主移动方向处于所述驱动元件(1)的中心处。
6.按照权利要求5的机电电动机，其特征在于，还包括在所述驱动元件(1)和配置在所述弯曲区段(2，3)中的相应一个区段的外端部附近的所述构架(9)之间的附接机构(5，6，12，13)，用来限制所述驱动元件(1)相对于所述构架(9)的基本上平移的运动。
7.按照权利要求6的机电电动机，其特征在于，所述驱动元件(1)围绕所述驱动垫(4)基本上是对称的。
8.按照权利要求6或7的机电电动机，其特征在于，所述附接机构包括带一凸出部分(34；36；37；38)的支承机构(5，6)，该凸出部分有一顶靠一对置表面支承的凸表面。
9.按照权利要求8的机电电动机，其特征在于，所述凸出部分(36；38)被包括在所述驱动元件(1)中，而所述对置表面被包括在所述构架(9)和所述弹性机构(8)之一中。
10.按照权利要求9的机电电动机，其特征在于，所述凸出部分(36；38)有一半球形。
11.按照权利要求8的机电电动机，其特征在于，所述凸出部分(37)被包括在所述构架(9)和所述弹性机构(8)之一中，而所述对置表面被包括在所述驱动元件(1)中。
12.按照权利要求6～11中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述附接机构包括用于限制所述驱动元件(1)沿所述主移动方向平移运动的机构(12，13)。
13.按照权利要求12的机电电动机，其特征在于，所述用于限制所述驱动元件(1)沿所述主要移动方向平移运动的机构(12，13)在所述第一和第二部分(15～18)之间的所述相互连接处或比该第一和第二部分(15～18)之间的相互连接处更接近所述本体地附接在所述驱动元件(1)上。
14.按照权利要求12或13的机电电动机，其特征在于，所述用于限制所述驱动元件(1)沿所述主移动方向平移运动的机构(12，13)在所述驱动元件(1)上的焊接垫处附接在所述驱动元件(1)上。
15.按照权利要求1～14中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述第二部分是一个沿所述主移动方向呈现尺寸可变性的主动机电元件(15～18；43，44)。
16.按照权利要求1～14中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述第二部分是一个非机电的主要部分(41)。
17.按照权利要求16的机电电动机，其特征在于，所述第二部分是金属板(41)。
18.按照权利要求1～17中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述第一和第二弯曲区段(2，3)是通过一个将所述驱动垫(4)附接于其上的被动部分(39)而连接的。
19.按照权利要求1～18中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述本体(7)在所述机电电动机(10)的操作频率范围内具有可以忽略不计的弯曲振动。
20.按照权利要求1～19中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述本体(7)在面对所述驱动垫(4)的表面上有一个与所述驱动垫(4)的垂直于所述主移动方向的移动最多同一数量级的表面粗糙度。
21.按照权利要求1～20中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述本体(7)有一个面对有一圆筒形的所述驱动垫(4)的表面(51)。
22.按照权利要求1～21中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述弹性机构(8)有一个其变化小于所述电动机(10)的允许容差范围的10％的弹力。
23.按照权利要求1～22中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述弹性机构(8)有一大体上C形或U形，该机构仅在所述C形或U形的对置两侧面上的接触部分(54，55)处才接触所述本体(7)和所述构架(9)或驱动元件(1)。
24.按照权利要求23的机电电动机，其特征在于，所述接触部分(54，55)包括具有凸表面的凸出部。
25.按照权利要求24的机电电动机，其特征在于，所述本体(7)、构架(9)或驱动元件(1)包括用于容纳所述凸出部的凹坑或孔穴。
26.按照权利要求23的机电电动机，其特征在于，所述接触部分(54，55)在具有凸表面的所述本体(7)和/或所述构架(9)处顶靠凸出部支承。
27.按照权利要求26的机电电动机，其特征在于，所述接触部分(54，55)包括用于容纳所述凸出部的凹坑或孔穴。
28.按照权利要求1～27中任何一项的机电电动机，其特征在于，所述弹性机构(8)被包括在所述本体(7)中。
29.按照权利要求1～28中任何一项的机电电动机，其特征在于，还包括用于在所述驱动元件(1)中诱生行波的机构，所述行波有一接近所述驱动元件(1)的共振频率的频率。
30.按照权利要求29的机电电动机，其特征在于，所述驱动元件(1)的所述共振频率是一种弯曲方式的共振频率。
31.按照权利要求30的机电电动机，其特征在于，所述弯曲方式具有奇数的节点。
32.一种机电电动机(10)，包括定子，有一驱动元件(1)和一构架部分(9)；沿一主移动方向由所述驱动元件(1)移动的本体(7)；设置成在所述驱动元件(1)和所述本体(7)之间施加一法线力(N)的弹性机构；所述驱动元件(1)又包括第一(2)和第二(3)弯曲区段，大体上沿所述主移动方向伸长，彼此沿所述主移动方向串联连接；所述第一(2)和第二(3)弯曲区段每个有沿所述主移动部分相互连接并基本上平行于所述本体(7)的驱动表面的第一和第二部分(15～18；41，43，44)；所述第一部分是一个沿所述主移动方向呈现尺寸可变性的主动机电元件(15～18)；以及设置成在所述本体(7)上驱动和设置在接近所述驱动元件(1)的中心的一个点处的驱动垫(4)；由此，所述构架(9)和所述弹性机构(8)之一被设置成限制所述驱动元件(1)的垂直于所述主移动方向的离开所述本体(7)的平移运动，但允许所述驱动元件(1)的垂直于所述主移动方向的向着所述本体(7)的平移运动。
33.按照权利要求32的机电电动机，其特征在于，在所述构架(9)和弹性机构(8)之一与所述驱动元件(1)之间的接触机构(5，6)包括一个有一对着对置表面支承的凸表面的凸出部分(34；36；37；38)。
34.按照权利要求33的机电电动机，其特征在于，所述凸出部分(36；38)被包括在所述驱动元件(1)中，而所述对置表面被包括在所述构架(9)和所述弹性机构(8)之一中。
35.按照权利要求34的机电电动机，其特征在于，所述凸出部分(36；38)有一半球形。
36.按照权利要求33的机电电动机，其特征在于，所述凸出部分(37)被包括在所述构架(9)和所述弹性机构(8)之一中，而所述对置表面被包括在所述驱动元件(1)中。
37.一种机电电动机(10)，包括定子，有一驱动元件(1)和一构架部分(9)；沿一主移动方向由所述驱动元件(1)移动的本体(7)；设置成在所述驱动元件(1)和所述本体(7)之间施加一法线力(N)的弹性机构(8)；所述驱动元件(1)又包括第一(2)和第二(3)弯曲区段，大体上沿所述主移动方向伸长，彼此沿所述主移动方向串联连接；所述第一(2)和所述第二(3)弯曲区段每个有沿所述主移动方向相互连接并基本上平行于所述本体(7)的驱动表面的第一和第二部分(15～18；41，43，44)；所述第一部分是一个沿所述主移动方向呈现尺寸可变性的主动机电元件(43，44)；所述第二部分是一个被动元件(41)；以及设置成在所述本体(7)上驱动和设置在接近所述驱动元件(1)的中心的一个点处的驱动垫(4)。
38.按照权利要求37的机电电动机，其特征在于，所述第一和第二弯曲区段中的第二区段包括一个金属板(41)。
39.按照权利要求38的机电电动机，其特征在于，所述第一和第二弯曲区段中的第二区段还包括一个可以弯曲的印刷电路板(42)。
40.按照权利要求38或39的机电电动机，其特征在于，所述金属板(41)也形成所述驱动垫(4)。
全文摘要
一种按照本发明的有一带驱动元件的定子的电子电动机，该驱动元件有两个串联的弯曲区段和一个用于在待移动的本体上驱动的中心驱动垫。该驱动元件平行于该本体。该驱动垫和/或该本体是弹性的。最好该驱动垫的硬度比该本体小。该驱动垫的弹性能够吸收外加在驱动元件上的行波能量的一部分。该定子的构架设置成限制该驱动元件离该本体移动，但同时允许驱动元件向该本体移动或甚至短时间脱离与该构架的机构接触。支承机构最好设计成带有凸表面，以便允许电动机的不同部件的自动定中心。
文档编号H02N2/00GK1663057SQ03814330
公开日2005年8月31日 申请日期2003年6月16日 优先权日2002年6月19日
发明者S·约翰松, O·约翰松, C·马特松, A·扬松, J·埃里克松 申请人:高压马达乌普萨拉有限公司