緊湊型多用途粘滑壓電電動機的制作方法
【專利說明】緊湊型多用途粘滑壓電電動機
[000。 背景
[0002] 壓電元件被用作定位機械設(shè)備時的驅(qū)動部件。運些"壓電電動機"（有時稱為"壓電 致動器"）具有超出其它類型的傳統(tǒng)電動機的一些獨特的優(yōu)點，運使它們成為在特定應(yīng)用中 的優(yōu)選的選擇。壓電元件作為運動設(shè)備的典型用途是通過使用其放置在電場中時在一個方 向上膨脹的特性。通過在一系列電極之間堆疊多個薄的壓電元件，也可能會提高壓電致動 器的相對膨脹，但是該運動仍然相對于設(shè)備的整體尺寸保持極小。對于需要行進范圍小于 幾百微米的移動并且分辨率在納米范圍內(nèi)的應(yīng)用，壓電致動器是通常的喜愛。運些實現(xiàn)可 W或可W不使用機械放大器(典型地使用"杠桿臂"原理），并且直接聯(lián)接到負載。使用運種 類型的驅(qū)動機構(gòu)的壓電式運動設(shè)備典型地使用基于柔性的機構(gòu)，并且能夠有快的速度和小 于納米的分辨率。
[0003] 為了實現(xiàn)更長的行進范圍，一種類型的已經(jīng)開發(fā)的壓電電動機是基于摩擦的配 置，其中一個或多個摩擦"腿"與磨擦"軌道"接觸。通過在各腿和該軌道之間施加恒定的高 的壓力，各摩擦腿可W "粘"到該摩擦軌道。壓電元件被附連到摩擦"腿"或則"軌道"。當緩慢 變化的電壓被施加到壓電元件時，相應(yīng)的摩擦元件將移動。由于高摩擦力，兩個摩擦元件將 "粘"在一起并且一起移動。如果驅(qū)動壓電元件的電信號非常迅速地變化，摩擦元件將因與 所設(shè)及的部件相關(guān)聯(lián)的質(zhì)量的慣性而相對于彼此"滑動"。在該實際運動在壓電元件的緩慢 移動階段期間發(fā)生的同時，滑移改變摩擦腿和摩擦軌道之間的相對位置，從而有效地讓壓 電元件來將新的位移添加到W前的一個。大的行進距離可W通過重復(fù)運個循環(huán)多次并且將 小的壓電移動有效地"拼接"在一起來實現(xiàn)。運種類型的壓電電動機的行進長度典型地僅受 限于摩擦軌道的長度。該軌道可W是線性或環(huán)狀的，允許電動機來產(chǎn)生線性或旋轉(zhuǎn)運動。運 些類型的電動機都典型地被稱為壓電"粘滑"電動機。
[0004] 最流行的粘滑電動機的當前實現(xiàn)可W被分組在兩個類別中，基于各摩擦腿相對于 摩擦軌道的配置。第一類型將各摩擦腿布置在摩擦軌道周圍，有效地形成了在成形為棒的 軌道上的夾具。運些電動機具有同屯、配置的優(yōu)點，允許要施加的高預(yù)載力而不給它們被安 裝到的運動設(shè)備施壓。主要缺點是，該預(yù)載力不能被調(diào)整并且該行進可W受限于棒的長度。 壓電元件可W被附連到夾具或者棒，伴隨對于每個配置的優(yōu)點和缺點。
[0005] 在第二類型的粘滑電動機中，壓電元件典型地被附連到一個或多個摩擦腿，其都 只在一側(cè)與摩擦軌道接觸。運允許電動機的活性零件(壓電元件和摩擦腿)來被構(gòu)建為可能 被切向地附連到任何線性或旋轉(zhuǎn)的軌道的單獨的單元。運些類型的電動機是更通用的，但 有產(chǎn)生較低的力并且向它們被附連到的運動裝置的軸承增加應(yīng)力的缺點。
[0006] 概述
[0007]本發(fā)明對現(xiàn)有設(shè)計作出一些顯著增強。所提出的粘滑電動機配置在可制造性、易 用性、簡單性、成本和性能方面提高了，同時顯著降低了用于所產(chǎn)生的相同的力的電動機的 尺寸。
[000引在一種構(gòu)造中，本發(fā)明提供一種運動控制系統(tǒng)，其包括基座、由所述基座支撐并且 可相對于所述基座移動的工作臺W及聯(lián)接到所述基座并且可操作W移動所述工作臺的電 動機。所述電動機包括布置成將所述電動機連接到所述基座的安裝基座、可與所述工作臺 接合的摩擦墊W及包括第二端和連接到所述安裝基座的第一端的聯(lián)接部。所述摩擦墊被在 所述第一端和所述第二端之間連接到所述聯(lián)接部。壓電元件被布置在所述安裝基座和所述 第二端之間并且響應(yīng)于電信號可操作W移動所述摩擦墊和所述工作臺。安裝螺釘可從所述 基座的外部接近并且接合所述聯(lián)接部。安裝螺釘是在所述電動機和所述基座之間的唯一附 連機構(gòu)。
[0009] 在另一種構(gòu)造中，本發(fā)明提供一種運動控制系統(tǒng)，其包括基座、由所述基座支撐并 且可相對于所述基座移動的工作臺W及聯(lián)接到所述基座并且可操作W移動所述工作臺的 電動機。所述電動機包括布置成將所述電動機連接到所述基座的安裝基座、可與所述工作 臺接合的摩擦墊W及包括第二端和連接到所述安裝基座的第一端的聯(lián)接部。所述摩擦墊被 在所述第一端和所述第二端之間連接到所述聯(lián)接部。所述電動機還包括壓電元件，壓電元 件被布置在所述安裝基座和所述第二端之間并且響應(yīng)于電信號可操作W移動所述摩擦墊 和所述工作臺。預(yù)載構(gòu)件包括電動機端和調(diào)整端。所述電動機端與所述電動機接觸并且可 移動W將可變預(yù)載力施加到所述電動機。所述調(diào)整端被定位成可從所述基座的外部接近并 且大致與所述基座齊平。
[0010] 在又另一種構(gòu)造中，本發(fā)明提供一種運動控制系統(tǒng)，其包括含有第一腔的基座、被 定位在所述第一腔內(nèi)并且可相對于所述基座移動的工作臺W及聯(lián)接到所述基座并且可操 作W移動所述工作臺的電動機。所述電動機包括布置成將所述電動機連接到所述基座的安 裝基座、可與所述工作臺接合的摩擦墊W及含有第二端和連接到所述安裝基座的第一端的 聯(lián)接部。所述摩擦墊被在所述第一端和所述第二端之間連接到所述聯(lián)接部。所述電動機還 包括壓電元件，其被布置在所述安裝基座和所述第二端之間并且響應(yīng)于電信號可操作W移 動所述摩擦墊和所述工作臺。所述電動機界定電動機周邊，并且在所述周邊內(nèi)的空間的至 少90 %是由所述電動機和所述壓電元件填充。
[0011] 在仍另一種構(gòu)造中，本發(fā)明提供用于在運動控制系統(tǒng)中使用的壓電電動機。所述 壓電電動機被支撐在基座中并且可操作W移動所述工作臺。所述壓電電動機包括被布置W 將所述壓電電動機連接到所述基座的安裝基座、可與所述工作臺接合的摩擦墊W及聯(lián)接到 所述安裝基座并且響應(yīng)于電信號可操作W移動所述摩擦墊的壓電元件。聯(lián)接部包括連接到 所述安裝基座的第一端和聯(lián)接到所述壓電元件的第二端。所述摩擦墊被在所述第一端和所 述第二端之間連接到所述聯(lián)接部。所述聯(lián)接部包括錐形彈黃，所述錐形彈黃具有帶有第一 寬度的第一端、帶有第二寬度的第二端和帶有轉(zhuǎn)彎寬度的轉(zhuǎn)彎部，其中，所述第一寬度和所 述第二寬度比所述轉(zhuǎn)彎寬度小。
[0012] 本發(fā)明的其它方面將通過考慮詳細描述和附圖變得明顯。
[0013] 附圖的簡要說明
[0014] 圖1是實施本發(fā)明的運動控制系統(tǒng)的立體分解圖；
[0015] 圖2是圖1的運動控制系統(tǒng)的頂視圖；
[0016] 圖3是適合于在圖1的運動控制系統(tǒng)中使用的粘滑壓電電動機的頂視圖；
[0017] 圖4是示出了圖3的粘滑壓電電動機的轉(zhuǎn)動能力的圖3電動機的頂視圖；
[0018] 圖5示出在操作位置處帶有預(yù)載螺釘?shù)膱D3的電動機；
[0019]圖6示出被定位W驅(qū)動線性軌道的圖3的電動機；
[0020] 圖7示出被定位W驅(qū)動圓柱形軌道的圖3的電動機；
[0021] 圖8是圖3的電動機的頂視圖，示出了利用施加的預(yù)載的所計算的應(yīng)力分布；
[0022] 圖9是適合于在圖1的運動控制系統(tǒng)中使用的另一種粘滑壓電電動機的頂視圖；W 及
[0023] 圖10是圖10的電動機的示意性或象征性的表示。
[0024] 在本發(fā)明的任何實施例被詳細說明之前，要理解的是，本發(fā)明在其應(yīng)用方面不限 于在下面的描述中闡述或在附圖中所示的部件的構(gòu)造和布置的細節(jié)。本發(fā)明能夠有其它實 施例并且W各種方式被實踐或被執(zhí)行。此外，要理解的是，本文中所使用的措辭和術(shù)語是為 了描述的目的，而不應(yīng)被視為限制。本文"包括"、"包含"或"具有"W及其變形的使用是指囊 括其后列出的項目及其等同物W及額外的項目。除非另外指定或限制，術(shù)語"安裝"、"連 接"、"支撐"W及"聯(lián)接"及其變型被廣泛使用，并且包括直接和間接的安裝、連接、支撐W及 聯(lián)接。此外，"連接"和"聯(lián)接"不局限于物理或機械連接或聯(lián)接。
[00巧]詳細說明
[0026] 圖1示出包括了基座15、工作臺20和W壓電電動機的形式的電動機25的運動控制 系統(tǒng)10的一部分的分解圖。基座15可W采取幾乎任何形式，但通常包括支撐用于移動的工 作臺20并且支撐電動機25W接合工作臺20W產(chǎn)生期望的移動的固定部件。在所示的構(gòu)造 中，基座15包括尺寸適于接收工作臺20并且支撐工作臺20W供圍繞旋轉(zhuǎn)軸線35旋轉(zhuǎn)的工作 臺腔30。工作臺20可W包括便于工作臺20的平滑移動的軸承或其它部件。在其它構(gòu)造中，線 性工作臺可W被支撐在細長槽內(nèi)用于沿平行于該槽的軸線線性移動。
[0027] 電動機腔40也被形成在基座15中并且其尺寸和形狀適于接收電動機25。第一孔45 沿基本上平行于工作臺20的旋轉(zhuǎn)軸線35的軸線50延伸通過基座15進入電動機腔40中并且 其尺寸適于接收安裝螺釘55。安裝螺釘55接合電動機25 W將電動機25固定地附接到基座 15。第二孔60延伸進入電動機腔40中并且被設(shè)置垂直于第一孔45并且通常相對于旋轉(zhuǎn)工作 臺20是徑向的。預(yù)載構(gòu)件65可螺紋地接合第二孔60并且可移動進入W及移出孔60W精確地 設(shè)定用于施加到電動機25的期望的預(yù)載力70。在優(yōu)選的構(gòu)造中，在約為零和40牛頓之間的 預(yù)載力70被施加到電動機25。
[00%]繼續(xù)參照圖1，安裝螺釘55穿過第一孔45并且可螺紋地接合電動機25?？蒞看出的 是，安裝螺釘55完全可從基座15的外部進入，W允許用戶梓緊或梓松螺釘55,由此控制電動 機25和工作臺20的接合，而不W任何方式對運動控制系統(tǒng)10進行拆卸。
[0029] 參照圖2,電動機25和工作臺20被在處于電動機腔40和工作臺腔30內(nèi)的它們各自 的操作位置處示出。如圖所示，預(yù)載螺釘65包括接合電動機25的第一端75和在基座15的外 表面露出的第二端80。第二端80保持與基座15基本齊平并且優(yōu)選地在施加期望的預(yù)載力時