Пьезомотор
Изобретение относится к пьезомотору. Технический результат - улучшенная передача силы приводным пальцем на ротор. Пьезомотор содержит статор, ротор и по меньшей мере один удерживаемый статором и приводящий ротор в движение приводной палец. Приводной палец выполнен с возможностью взаимодействия по меньшей мере с одним пьезоэлементом. Свободный конец приводного пальца предназначен для перемещения прижимаемой к кольцевой поверхности ротора колодки захвата. Свободный конец приводного пальца удерживается с возможностью радиального перемещения между двумя выступами колодки захвата. Колодка захвата во время приводного движения приводного пальца прижата по меньшей мере одним пьезоактюатором в ритме приводного движения приводного пальца к ротору и выполнена с возможностью совместного поворота с пьезоактюатором соразмерно величине отклонения приводного пальца в направлении привода и обратно вокруг оси ротора. 14 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к пьезомотору со статором, ротором и, по меньшей мере, одним удерживаемым статором и приводящим ротор в движение приводным пальцем, который взаимодействует, по меньшей мере, с одним пьезоэлементом. Ротор может вращаться вокруг статора, который удерживается осью статора. Этот ротор имеет кольцевую поверхность полости цилиндра, на которую воздействует приводной палец. Ротор, однако, может быть расположен и рядом со статором, и удерживаемый статором на одном конце приводной палец воздействует на кольцевую поверхность цилиндра ротора.
Пьезомоторы такого типа известны из следующих документов: DE 102006004194; ЕР 0951078; WO 01/41228; EP 1192704.
В этих пьезомоторах электрические колебания на основе обратного эффекта преобразуются в механические колебания, и эти механические колебания приводного пальца используются для привода ротора. Хотя отклонения приводного пальца и очень небольшие, из-за высокой частоты этих отклонений достигается достаточно большая скорость вращения ротора.
В известных пьезомоторах приводной палец образован резонатором, который приводится в колебательное движение генератором колебаний из пьезоэлектрического материала. Колеблющийся конец приводного пальца пружинным устройством прижимается к кольцевой поверхности ротора, в результате чего создается фрикционный контакт.
Для фрикционного контакта приводного пальца с ротором характерен недостаток, заключающийся в том, что колеблющаяся контактная поверхность приводного пальца относительно быстро истирается и что идущая в направлении привода составляющая используется не полностью. Кроме того, приводным пальцем на ротор могут передаваться лишь очень небольшие силы.
Задачей изобретения является создание пьезомотора, у которого улучшена передача силы приводным пальцем на ротор.
Эта задача решена согласно изобретению посредством того, что приводной палец своим свободным концом перемещает прижимаемую к кольцевой поверхности ротора колодку захвата, причем свободный конец приводного пальца с возможностью радиального перемещения закреплен между двумя выступами колодки захвата и колодка захвата во время приводного движения приводного пальца может прижиматься к ротору, по меньшей мере, одним пьезоактюатором в ритме приводного движения приводного пальца и вместе с пьезоактюатором соответственно величине отклонения приводного пальца может поворачиваться в направлении привода и обратно вокруг оси ротора.
В этом пьезомоторе колебания приводного пальца воспринимаются колодкой захвата, которая другим пьезоактюатором в ритме колебания приводного пальца прижимается к кольцевой поверхности полости цилиндра или цилиндра ротора. Благодаря этому в значительной степени исключаются потери на скольжение и могут также передаваться через захват более значительные силы от приводного пальца на ротор.
Контактная поверхность колодки захвата относительно большая и выполнена так, что обеспечивается хорошее фрикционное соединение между ротором и колодкой захвата.
Свободный конец приводного пальца закреплен между выступами колодки захвата так, что он может перемещаться в продольном направлении приводного пальца и под прямым углом к нему. Свободный конец приводного пальца может, таким образом, колебаться не только в направлении привода и обратно, но и по кругу или овалу.
Приводной палец может быть выполнен в виде изгибного пьезоэлемента, который своим жестко закрепленным концом удерживается в статоре с фиксацией от поворота, который с одной стороны или с двух сторон покрыт пьезокристаллами и может выгибаться в одну или две стороны и частично состоит из эластичного материала, который выполняет роль возвратной пружины.
Приводной палец может, однако, также своим жестко закрепленным концом удерживаться на статоре с возможностью поворота вокруг оси ротора и приводиться в колебательное движение многослойным актюатором и возвратной пружиной или вторым многослойным актюатором.
На ротор могут воздействовать две или несколько перемещаемых колодок захвата, приводные пьезоэлементы и прижимные пьезоактюаторы которых воздействуют на ротор с одинаковой частотой и, по меньшей мере, частично с фазовым сдвигом.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - вид в разрезе пьезомотора по линиям I-I на фиг.2,
фиг.2 - вид в разрезе пьезомотора согласно фиг.1 по линиям II-II на фиг.1,
фиг.3 - вид в перспективе другого варианта выполнения пьезомотора,
фиг.4 - принципиальная схема,
фиг.5 - детальное изображение пьезомотора по фиг.3,
фиг.6 - вид сверху приводного пальца, приводимого в действие многослойным пьезоактюатором,
фиг.7 - вид сверху сводчатого пьезодиска с колодками захвата, которые перемещаются приводным пальцем, который приводится в действие расположенными по обе стороны многослойными пьезоактюаторами,
фиг.8 - вид сверху согласно фиг.7, на котором показана колодка захвата и внутренняя сторона ротора с зубьями,
фиг.9 - вырез из фиг.8 в увеличенном масштабе.
Пьезомотор согласно фиг.1 и 2 имеет статор 1 и вращающийся вокруг оси 11 ротор 2, который приводится в действие приводным пальцем 3. Приводной палец 3 имеет удерживаемый статором 1 жестко закрепленный конец 4 и свободный, подвижный конец 5. Приводной палец 3 взаимодействует, по меньшей мере, с одним пьезоэлементом 17, который перемещает свободный конец 5 приводного пальца 3 в направлении привода. Свободный конец 5 приводного пальца 3 с возможностью радиального перемещения удерживается между двумя выступами 8 и 9 колодки 7 захвата, которая во время приводного движения приводного пальца 3 прижимается к кольцевой поверхности 6 ротора 2, по меньшей мере, одним пьезоактюатором 10, который под напряжением изменяет свою длину. Прижимающий колодку 7 захвата к ротору 2 пьезоактюатор 10 может быть, например, многослойным пьезоактюатором.
Вступающая в соприкосновение с ротором 2 поверхность колодки 7 захвата такова, что при прилегании достигается хорошее фрикционное соединение с ротором 2. Поскольку колодка 7 захвата в фазе привода поворачивается с ротором 2 вокруг оси 11, и колодка 7 захвата вместе с ее пьезоактюатором 10 должны также должна поворачиваться вокруг оси 11 ротора. Приводной пьезоэлемент 17, а также прижимной пьезоактюатор 10 работают с одинаковой частотой и в одинаковом ритме, чтобы в конце приводного движения мог прерваться контакт колодки 7 захвата с ротором 2, приводной палец 3 вместе с колодкой 7 захвата мог возвратиться в исходное положение и мог начаться новый этап привода. Возвращение приводного пальца 3 может происходить благодаря материальному свойству и эластичности приводного пальца 3, а также посредством другого работающего с такой же частотой, но с фазовым сдвигом пьезоактюатора. Отделение колодки 7 захвата от кольцевой поверхности 6 может происходить с помощью возвратной пружины.
Свободный конец 5 приводного пальца 3 может удерживаться также с возможностью перемещения не только в продольном направлении приводного пальца 3, но и под прямым углом к нему и под прямым углом к направлению привода с возможностью перемещения между выступами 8 и 9 колодки 7 захвата, поэтому свободный конец 5 приводного пальца 3 может выполнять также овальные движения.
Приводной палец 3 работает в предпочтительном варианте как резонатор, который пьезокристаллами возбуждается к колебаниям с собственной частотой. Колебания могут происходить в направлении привода и обратно или же также по эллиптической или круговой траектории.
Пьезокристаллы расположены на одной стороне приводного пальца, поэтому при напряжении приводной палец изгибается в эту сторону и при этом увлекает за собой колодку 7 захвата. Поскольку в конце этого движения колодка 7 захвата теряет свой контакт с кольцевой поверхностью 6 цилиндрической полости ротора 2, приводной палец 3 с колодкой 7 захвата возвращается в исходное положение. Приводной палец 3 может иметь покрытие пьезокристаллами и с двух сторон, поэтому ротор 2 может поворачиваться как по часовой, так и против часовой стрелки, поскольку в данном случае напряжение подается только на одну соответствующую сторону и приводной палец изгибается налево или направо.
Для обеспечения большей равномерности вращения ротора 2 и повышения производительности пьезомотора на ротор 2 могут воздействовать два или несколько приводных пальцев с совместно работающими с ними колодками захвата.
Как показывает фиг.2, по обе стороны дискообразного статора 1 расположены приводные пальцы 3 и 3′, которые взаимодействуют с колодками захвата 7, 7′. Приводные пальцы 3, 3′ и колодки 7,7′ захватов работают с одинаковой частотой, однако смещены на половину длины волны или фазы. При наличии трех приводных пальцев с колодками захватов считается, что фазовый сдвиг равен одной трети фазы, а при наличии четырех приводных пальцев с колодками захватов - одной четверти длины волны или фазы.
В варианте выполнения пьезомотора согласно фиг.3-5 принцип работы относится к пьезомотору согласно фиг.1 и 2. Одинаково действующие детали обозначены одинаковыми условными обозначениями. Ротор 2 окружает статор 1 в виде корпуса и через две крышки корпуса 21, 22 и подшипники качения 12 закреплен с возможностью вращения вокруг неподвижной оси 13 статора. Статор 1 имеет, по меньшей мере, один приводной палец 3, который, по меньшей мере, одной колодкой 7 захвата воздействует на кольцевую поверхность 6 цилиндрической полости ротора 2. Статор состоит из одного верхнего диска 1 статора, который жестко соединен с неподвижной осью 13 статора и в котором удерживается жестко закрепленный конец 4 приводного пальца 3, и одного нижнего диска 1′ статора, в котором удерживается жестко закрепленный конец 4′ приводного пальца 3′. Оба диска 1, 1′ статора винтами 25 жестко соединены друг с другом.
В этом варианте выполнения каждая из колодок 7, 7′ захвата прижата соответствующим сводчатым пьезодиском 23, 23′ к внутренней поверхности 6 ротора 2, когда приводные пальцы 3, 3′ своими свободными концами 5, 5′ движутся в направлении привода. Сводчатые пьезодиски 23, 23′ имеют на одной стороне слой из пьезокристаллов, которые при напряжении придают дискам сводчатую форму. При этом уменьшается длина окружности дисков 23, 23′. Если к дискам 23, 23′ не приложено напряжение, они являются плоскими и имеют окружность большей длины, поэтому колодки 7, 7′ захватов прижимаются к ротору 2.
На фиг.3 между верхними и нижними колодками 7, 7′ захватов расположен неподвижный промежуточный диск 26, который несет кольцо скольжения 27, к которому прилегают колодки 7 и 7′ захвата.
В принципиальной схеме согласно фиг.4 приводной палец 3 взаимодействует с колодкой 7 захвата, а приводной палец 3′ с колодкой 7′ захвата. Сводчатые пьезодиски 23, 23′ жестко, а при необходимости заодно, соединены с относящимися к ним колодками 7, 7′ захватов. К сводчататому пьезодиску 23 верхнего приводного пальца 3 напряжение не приложено и он лежит плашмя в одной плоскости, поэтому колодки 7 захвата сводчатым пьезодиском 23 прижимаются к внутренней поверхности 6 ротора 2. Одновременно к сводчатому пьезодиску 23′ нижнего приводного пальца 3′ приложено напряжение, в результате чего этот сводчатый диск 23′ выгибается, длина его окружности уменьшается и колодка 7′ захвата отделяется от ротора 2.
Фиг.5 с чертежами отдельных деталей а), б), в), г), д), е), ж), з), и) и к) показывает в общем виде отдельные детали пьезомотора согласно изобретению.
Фиг.5а) является фиг.3 меньшего размера.
Фиг.5б) показывает вид пьезомотора в разрезе с разрезом параллельно оси 11 ротора и параллельно приводным пальцам 3, 3′.
Фиг.5в) показывает вид на сводчатый пьезодиск 23 с колодками 7 захвата и соединительными винтами 25 статора 1 по линиям разреза В-В на фиг.5б).
Фиг.5г) показывает перспективный вид детали согласно фиг.5в).
Фиг.5д) показывает вид по линии разреза А-А на фиг.5б) с видом сверху на нижний диск статора 1′, нижний приводной палец 3′ и нижние колодки 7′ захвата с выступами 8, 9, между которыми удерживается с возможностью продольного перемещения свободный конец 5 приводного пальца 3′.
Кроме того, показана величина участка 30 привода, который является результатом изгибной деформации приводного пальца 3′.
Фиг.5е) показывает в перспективе верхнюю крышку 21 корпуса, которая навинчивается на ротор 2 и соответственно на зубчатое колесо 20.
Фиг.5ж) показывает в перспективе верхний диск 1 статора с осью 13 статора.
Фиг.5 з) показывает в перспективе верхний приводной палец 3, который своим свободным концом удерживается между выступами 8 и 9 колодки 7 захвата.
Фиг.5и) показывает в перспективе кольцо 27 скольжения, соединительные винты 25 статора и нижние колодки 7′ захвата.
Фиг.5к) показывает в перспективе ротор 2 с его поверхностью 6 полости цилиндра и нижний диск статора Г с нижним приводным пальцем 3′.
Фиг.6 показывает, что приводной палец 3 приводится в действие многослойным актюатором 28 - называемым также стековым актюатором. Многослойный актюатор 28 может быть расположен на одной стороне приводного пальца 3 или же на обеих сторонах приводного пальца 3, чтобы приводной палец 3 изгибать в одну сторону или же изгибать в одну сторону или в другую сторону, поэтому ротор 2 поворачивается по часовой стрелке или против часовой стрелки. Многослойный пьезоактюатор 28, как известно, может быть прямым или же также для увеличения числа пьезоактюаторных дисков изогнутым в виде дуги, как показывают фиг.7 и 8.
Фиг.7 показывает вид сверху на три колодки 7, 7′ и 7″ захвата, которые соединенны с ними воедино сводчатым пьезодиском 23 удерживаются в контакте с круговой поверхностью полости цилиндра ротора 2. При подаче напряжения сводчатый пьезодиск 23 поднимается куполом, вследствие чего окружность его уменьшается, и колодка 7 отходит от поверхности 6 полости цилиндра ротора 2.
Как, в частности, показано на фиг.7, в сводчатом пьезодиске 23 выполнены сквозные отверстия 33 для винтов 25, которые жестко соединяют между собой дисковые части статора 1. Эти сквозные отверстия 33 имеют такую форму, которая позволяет сводчатому диску 23 поворачиваться относительно винтов 33, по меньшей мере, на величину отклонения 30. Кроме того, эти отверстия имеют такую форму и так расположены, что сводчатый диск 23 в куполообразном положении прилегает к этим трем винтам и таким образом центрирует себя относительно оси 11 ротора. Тем самым достигается, что колодки 7, 7′ захвата отходят от кольцевой поверхности 6 ротора 2, когда окружность сводчатого диска 23 становится меньше.
На фиг.1-5 приводной палец 3 удерживается своим жестко закрепленным концом 4 в статоре 1 без возможности поворота и вследствие изгибания приводного пальца 3 происходит отклонение 30. Возвращение приводного пальца в исходное положение происходит из-за его эластичности.
На фиг.7 приводной палец 3 перемещается в исходное положение от одного многослойного актюатора 29 в направлении привода, а от второго многослойного актюатора 29′ в исходное положение. В этом случае приводной палец 3 на своем жестко закрепленном конце 4 установлен на подшипнике с возможностью поворота вокруг оси ротора. Колебания приводного пальца 3 вызываются многослойными актюаторами 29, 29′.
Как показывают фиг.8 и 9, соответствующий изобретению пьезомотор может работать также как исполнительный микросервомотор, если кольцевая поверхность 6 ротора 2 и колодка 7 захвата имеют зубья 31, 32, которые при прижимании колодки 7 захвата вступают в зацепление друг с другом. Шаг этой системы зубьев равен при этом отклонению 30 приводного зуба 3.
Соответствующий изобретению пьезомотор изображен и описан с ротором 2, который охватывает статор 1. В кинематическом обратном порядке, однако, статор также может охватывать ротор или быть расположенным рядом с ротором, а приводной палец и колодки захвата могут воздействовать на цилиндрическую кольцевую поверхность ротора. Это исполнение пьезомотора не так компактно, как описанный и изображенный пьезомотор, а конструктивные затраты при этом больше.
1. Пьезомотор со статором (1), ротором (2) и по меньшей мере одним удерживаемым статором (1) и приводящим ротор (2) в движение приводным пальцем (3), выполненным с возможностью взаимодействия, по меньшей мере, с одним пьезоэлементом, отличающийся тем, что свободный конец (5) приводного пальца (3) предназначен для перемещения прижимаемой к кольцевой поверхности (6) ротора (2) колодки (7) захвата, причем свободный конец (5) приводного пальца (3) удерживается с возможностью радиального перемещения между двумя выступами (8, 9) колодки (7) захвата, а колодка (7) захвата во время приводного движения приводного пальца (3) прижата по меньшей мере одним пьезоактюатором (10) в ритме приводного движения приводного пальца (3) к ротору (2) и выполнена с возможностью совместного поворота с пьезоактюатором (10) соразмерно величине отклонения (30) приводного пальца (3) в направлении привода и обратно вокруг оси (11) ротора.
2. Пьезомотор по п.1, отличающийся тем, что свободный конец (5) приводного пальца (3) удерживается между выступами (8, 9) колодки (7) захвата с возможностью перемещения под прямым углом к направлению привода.
3. Пьезомотор по п.1 или 2, отличающийся тем, что приводной палец (3) своим жестко закрепленным концом (4) удерживается в статоре (1) с фиксацией от поворота и с возможностью изгиба по меньшей мере в одну сторону в направлении привода и выполнен из эластичного материала для функционирования в качестве возвратной пружины.
4. Пьезомотор по п.1, отличающийся тем, что приводной палец (3) имеет с одной стороны или с обеих сторон покрытие из пьезокристаллов.
5. Пьезомотор по п.1 или 2, отличающийся тем, что приводной палец (3) выполнен в виде резонатора.
6. Пьезомотор по п.1 или 2, отличающийся тем, что приводной палец (3) своим жестко закрепленным концом (4) установлен на подшипнике с возможностью поворота вокруг оси (11) ротора (2) и выполнен с возможностью приведения в движение в направлении привода многослойным пьезоактюатором (28), причем возврат в исходное положение осуществляется возвратной пружиной или другим многослойным пьезоактюатором (29).
7. Пьезомотор по п.1, отличающийся тем, что колодка (7) захвата соединена по меньшей мере еще с одной колодкой (7) захвата, которая расположена на противоположной стороне первой колодки (7) захвата, причем обе колодки (7) захвата прижаты упирающимся в обе колодки (7) захвата и изменяющимся по своей длине пьезоактюатором (10) к кольцевой поверхности (6) ротора (2).
8. Пьезомотор по п.1 или 7, отличающийся тем, что содержит больше двух соединенных с первой колодкой (7) захвата колодок (7′, 7″) захвата, которые прижаты круглым сводчатым пьезодиском (23) к кольцевой поверхности (6) ротора (2).
9. Пьезомотор по п.8, отличающийся тем, что сводчатый пьезодиск (23) соединен с колодками (7, 7′, 7″) захвата в виде единого целого.
10. Пьезомотор по п.1, отличающийся тем, что на ротор (2) с такой же частотой и со сдвигом на половину длины волны или фазы воздействует второй приводной палец (3′), причем согласно п.1 свободный конец второго приводного пальца (3′) предназначен для перемещения прижимаемой к ротору (2) колодки (7′) захвата, причем свободный конец (5′) приводного пальца (3′) удерживается с возможностью радиального перемещения между двумя выступами (8, 9′) колодки (7′) захвата, а колодка (7′) захвата во время приводного движения приводного пальца (3′) прижата по меньшей мере одним пьезореактором (10) в ритме приводного движения приводного пальца (3′) к ротору (2) с возможностью совместного поворота с пьезореактором (10) вокруг оси (11) ротора.
11. Пьезомотор по п.10, отличающийся тем, что статор (1) расположен между обоими приводными пальцами (3, 3′), а концы (4) приводных пальцев (3, 3′) жестко закреплены на обеих сторонах статора (1).
12. Пьезомотор по п.10, отличающийся тем, что три или n приводных пальцев и три или n колодок захвата с одинаковой частотой, но соответственно со сдвигом на 1/3 или 1/n длины волны или фазы воздействуют на ротор.
13. Пьезомотор по п.1 или 10, отличающийся тем, что колодка (7) захвата имеет контактную поверхность, которая простирается по меньшей мере на протяжении 1/8 кольцевой поверхности (6) полости цилиндра ротора (2) и которая при прилегании вступает во фрикционный контакт с кольцевой поверхностью (6).
14. Пьезомотор по п.1 или 10, отличающийся тем, что колодка (7) захвата имеет зубья (32), которые при прижатии колодки (7) захвата к ротору (2) вводятся в зацепление с зубьями (31) ротора (2).
15. Пьезомотор по п.14, отличающийся тем, что шаг зубьев (31) ротора (2) и зубьев (32) колодки (7) захвата соответствует величине отклонения (30) приводного пальца.
