超声电机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及根据权利要求1至11所述的超声电机。
【背景技术】
[0002] 根据现有技术，根据参考文献US6, 765, 335Bl或US7, 218, 031B2,用于旋转驱 动的超声电机例如为已知的，其中超声执行器形成为压电中空圆筒，和其中电极设置于其 圆周表面上并且摩擦元件设置于其端面上。
[0003] 在运些超声电机的情况下，偏振矢量W及电激励场E的矢量均径向地布置并因而 垂直于压电圆筒的轴向方向。因此，超声执行器在轴向方向上所产生的动态力Fad和超声 执行器在切向方向上所产生的动态力Ftd通过相同压电模块d31确定。在限制情况中，运 些力可大小相等。
[0004] 运些超声电机的驱动原理基于将超声执行器所产生的力经由超声执行器和转子 之间存在的有效接触或摩擦接触传送至转子。基于该驱动原理，关于摩擦接触的摩擦力Ffk 必须始终大于动态力Ftd的大小。如果运个条件不成立，那么在超声执行器和转子之间存 在不理想的打滑，运导致超声电机的功能退化或甚至为失效。 阳0化]由于超声执行器和转子之间的摩擦接触的摩擦力通过接触材料的摩擦系数Kf和 接触压力化确定。对于最新的硬质耐磨材料，该系数为约0.2-0. 3。为确保摩擦接触的线 性工作范围，必须保持条件Ffk=KfX化。运意味着超声电机的摩擦接触必须包括摩擦力 Ffk,并且摩擦元件通过力化二阿k/0. 2 - 0. 3被按压至转子的摩擦表面。因此，摩擦压力 化必须为大于力Ftd的大小的约3-5倍。接触压力化包括静态接触压力Fas和动态接触 压力化d，其中力Fas由弹黃产生。对于摩擦接触的最佳功能，静态接触压力Fas必须等于 动态接触压力化d的大小。
[0006] 在根据现有技术已知的超声电机中，执行器形成作用于轴向方向上的力Fad和作 用于切向方向上的力Ftd两者。运可通过运样的事实来解释，运两种力通过相同压电模块 d31确定。因此，在运些电机中，接触压力化的大小可仅大于力Ftd的大小的两倍。
[0007] 因此，摩擦接触中的摩擦力Ffk也被限制并且连同通过超声电机可获得的最大力 也被限制，使得利用根据现有技术已知的超声电机，有可能W压电参数产生名义上可获得 的最大力。
[000引此外，在高负荷下，运些超声电机的摩擦接触会产生极高的机械损耗（打滑）。
[0009] 除此之外，此类电机需要较高的激励电压，由此执行器中的损耗增加。
[0010] 所有运些效应一起导致执行器的发热和最大操作溫度的相应降低。总而言之，根 据现有技术已知，根据参考文献US6, 765, 335Bl或US7, 218, 031B2,超声电机表现出较 低效率。
[0011] 发巧概沐
[0012] 因此，本发明的目标是提供一种超声电机，该超声电机克服根据上文所述及的现 有技术的超声电机的缺点，并且具体地提供一种具有高效用或高效率的超声电机。
[0013] 本发明的目标的解决方案通过根据权利要求I所述的超声电机实现，其中随后的 从属权利要求包括至少有利实施例和其它开发。
[0014] 因此，运基于超声电机，该超声电机包括压电中空圆筒形式的超声执行器，该压电 中空圆筒具有内圆周表面和外圆周表面和端面，该端面互连内圆周表面和外圆周表面，其 中摩擦元件设置于至少一个端面上。此外，超声电机包括与摩擦元件有效接触的转子，该转 子包括至少一个圆盘或平台，W及电激励装置。
[0015] 超声执行器沿其圆周或在圆周方向上细分成偶数个扇区Sa和Sb,其中每个扇区 由其几何尺寸LH和T表征。L表示扇区的平均长度，即在中空圆筒于外圆周和内圆周之 间的中部的圆周方向上的平均长度。H表示扇区在中空圆筒的纵向或旋转轴方向（轴向方 向）上的高度，并且T表示扇区的厚度，即，在径向方向上内圆周表面和外圆周表面之间的 距离。因此，平均长度L为扇区在一半厚度T(即，T/2)处在圆周方向上的长度。所有扇区 Sa-起形成扇区组A，而所有扇区Sb-起形成扇区组B。每个扇区Sa在圆周方向上相对的 两侧结合两个扇区Sb,并且每个扇区SbW相同方式结合两个扇区Sa,使得两个扇区组A和 B的扇区Sa和Sb在圆周方向上彼此交替并结合。在两个邻近扇区Sa和Sb之间的限制表 面的范围内，即，在邻近扇区的相邻的范围内，布置有摩擦元件。
[0016] 对本发明必要的是，扇区Sa和Sb中的每一个由激励电极和普通电极形成，该激励 电极和普通电极在中空圆筒的轴向方向上交替地布置，其中压电材料层布置于相邻激励电 极和普通电极之间，并且超声执行器的所有激励电极和所有普通电极彼此电连接。
[0017] 由于经由电激励装置施加至激励电极和普通电极的电压，电场E在它们之间形 成，其中电场E的矢量与超声执行器的纵向轴或旋转轴的方向一致。由于反向压电效应，电 场E在纵向轴或旋转轴的方向上产生力化d，并且在切向方向上产生力Ftd。
[0018] 力Fad包括静态接触压力化S，由此形成将摩擦元件按压至转子的力化。力化与 摩擦接触的弹性力Fs相反地作用。力Ftd引起转子与力化相反地移动。
[0019] 与理论相符，压电力Fad与压电模块d33成比例，并且力Ftd与压电模块d31成比 例。
[0020] 利用硬PZT陶瓷，d33/d31的比率在2. 5和3之间的范围内。运意味着本发明的 超声电机的执行器1形成在轴向方向上（即，沿着纵向轴或旋转轴）作用的动态力化山该 动态力Fad大于在切向方向上所形成的力Ftd的2. 5至3倍。
[0021] 根据摩擦接触的最佳功能的条件，根据静态接触压力Fas必须等于动态力Fad的 大小，可得出在运种情况下，整个接触压力必须等于动态接触压力Fad的大小的2倍。运意 味着，当在本发明的电极中保持该条件时，接触压力化为5-6倍的FtcL目P，当将电压施加 至激励电极和普通电极时，接触压力Fa(大于切向力Ftd的大小的5至6倍）在根据本发 明的超声电机的摩擦接触中产生。 阳022] 根据上述说明，本发明的超声电机的摩擦接触通过摩擦接触中的摩擦力Ffk来表 征，该摩擦力Ffk大于根据上文所提及的参考文献US6, 765, 335B2和US7, 218, 031B2 的现有技术的电机的真实值的2. 5至3倍。运使其形成相比于根据US6, 765, 335B2或US 7, 218, 031B2的超声电机的远远更大的最大力，并且高张力下摩擦接触内的打滑被大幅减 少或甚至避免。总而言之，结果为一种超声电机，该超声电机具有高张力和同事低损耗W及 因而低自加热。
[0023] 在下文中，措辞"中空圆筒"和"圆筒"、"超声执行器"和"执行器"，W及"超声电 机"和"电机"同义地使用。
[0024] 有利的是，激励电极和普通电极W及布置于一组扇区中扇区的激励电极和普通电 极之间的压电材料层形成声学纵驻波的发生器；并且因此，运些所形成的发生器W运样的 方式可电驱动：第一纵驻波沿着超声执行器的母线而扩展并且第二声学纵驻波沿着超声执 行器的高度而扩展。沿着超声执行器的母线的扩展在此处和在下文中应W纵向驻波在圆周 方向上扩展的意义进行理解。
[00对此外，有利的是，激励电极和普通电极W及布置于一组扇区中扇区的邻近激励电 极和普通电极之间的相应压电材料层形成声学非对称驻波的发生器；并且因此，运些所形 成的发生器W运样的方式可电驱动：声学非对称驻波沿着超声执行器的母线而扩展。
[0026] 此外，有利的是，L对H的比率在1和1. 3之间，并且H对T的比率在2和20之间。 运导致一种超声电机，该超声电机可特别有效地操作。
[0027] 还有利的是，转子包括阻尼元件，该阻尼元件减小转子的寄生振动的幅度。
[002引此外，可有利的是，电激励装置提供了单相激励电压，并且电激励装置包括用于将 单相激励电压施加至第一组或第二组的激励电极和普通电极的换向器，W用于使转子的旋 转方向反向。
[0029] 此外，有利的是，电激励装置提供了一种两相电压，其中所提供的电压Ul和U2中 的一个被施加至扇区组的激励电极和普通电极，并且所提供的运些电压中的另一个被施加 至另一扇区组的激励电极和普通电极，并且电激励装置包括用于所提供的电压Ul和U2之 间相移