CN107636951A - 具有设计为板簧的加载装置的压电旋转驱动器 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于轴(2)的压电旋转驱动器(1)，该压电旋转驱动器(1)包括压电致动器(3)、能够以力配合的方式与轴的联接部分(5)联接以实现粘滑驱动的可变形框架(4)、以及将预加载力施加到联接部分和/或致动器和/或轴的加载装置(6)。为了便于生产和组装，加载装置形成为一个板簧，它在松弛状态下基本上在一个平面上，优选地沿着一条直线延伸。

Description

具有设计为板簧的加载装置的压电旋转驱动器

技术领域

本发明涉及一种用于轴的压电旋转驱动器，该压电旋转驱动器包括至少一个压电致动器、具有可以以力配合的方式联接至轴的联接部分以实现粘滑驱动的可调节和/或可变形的框架、和被设计成向联接部分和/或致动器和/或轴施加预加载力的至少一个加载装置。

背景技术

从DE 102011109590 A1已知一种通用的压电旋转驱动器。在那里，联接部分(13)通过弹簧夹(4)被施加夹紧力，从而首先增加联接部分(13)至轴(2)上的接触压力，并且其次，通过弹簧夹(4)框架(12)的两个部分(13、14)压靠压电致动器(11)，使得部分(13、14)总是随着致动器(11)的压电变形。从DE 102011109590 A1的图1可以看出，弹簧夹(4)具有条状设计，并且被夹在两个保持部分之间的端侧。用于弹簧夹(4)的两个保持部分位于框架(12)的不同侧上，使得弹簧夹(4)分别地在轴或框架(12)的大约一半以上的圆周延伸。弹簧夹(4)具有相当长的长度以及两个弯曲或扭折点。

这种弹簧夹(4)的生产和组装相对地复杂。此外，用已知的弹簧夹(4)多次发生沉降现象，这可以导致联接部分抵靠轴的接触压力较小和/或框架的两个部分抵靠压电致动器的压力较小，并且因此作用在压电致动器的预加载力较小。此外，弯曲方面的公差导致不确定的接触压力或不确定的预加载力。

因此，本发明是基于通过简化加载装置的生产和组装来改进通用压电旋转驱动器的目的。

发明内容

为了满足该目的，本发明提供了一种用于轴的压电旋转驱动器，该压电旋转驱动器包括至少一个压电致动器、具有可以以力配合的方式联接至轴的联接部分以实现粘滑驱动的可调整和/或可变形的框架、和被设计成向联接部分和/或致动器和/或轴施加预加载力的至少一个加载装置，其中，该加载装置被设计为在松弛状态下基本上在平面中，优选地沿着直线延伸的板簧。可以毫不费力地生产这种加载装置并且因此以便宜的方式生产。“基本上在平面中”目前是指在一个实施例中使用的片状金属板的常规制造精度或常规制造公差。

例如，在越野车、卡车或面包车的汽车生产中使用板簧以实现简单且廉价的车轮悬挂。优选地，板簧在两端处被夹紧(双面板簧)并且在中心处通过横向于或垂直于板簧的延伸平面定向的负载加载。可选地，板簧也可以仅在一端(单面板簧)的一侧被夹紧，其中，偏转力横向于或垂直于板簧的延伸平面作用于板簧的另一端上。例如，板簧由，例如，平坦的、大致矩形型材，例如，弹簧钢制成。因此，板簧不需要任何复杂的成型并且可以毫不费力地被安装。与现有技术中已知的解决方案不同，特别是不必引导加载装置围绕轴和框架的圆周的一半。因此，可以使用平坦弹簧来代替预制的或变形的且包围的弹簧。这种平坦弹簧的优点是首先省略相应的成型步骤并且，其次是使用具有相当高的张紧屈服点的脆性材料的可能性，从而可以施加明显更高的预加载力。板簧被优选地设计成平板簧。

本发明代表了DE 102011109590 A1中描述的发明的进一步发展并且基本上基于其中所述的机械原理。DE 102011109590 A1的内容明确地结合于此作为参考并且构成本公开的一部分，条件是它们与本发明没有明显矛盾。这尤其适用于其中描述了本发明的原理以及第一实施例的公开专利申请DE 102011109590 A1的[0001]到[0030]的部分。

本发明的有益发展是从属权利要求的目的。

将加载装置设计成双面板簧并夹在两个保持部分之间是有利的。与单面板簧相比，然后可以产生更高的预加载力。此外，然后获得压电旋转驱动器的简化的小型化。特别地，双面板簧的对称设计导致双面板簧的非常简单的组装。

使加载装置在弹簧的长度上产生恒定的弯曲应力也是有用的，其中，加载装置优选地朝着至少一个端部，特别优选地朝着两端渐缩。优选地，从加载区域，优选地从在优选的实施例中具有恒定宽度的中心区域开始，加载装置在至少一个或多个保持部分中渐缩，其中加载装置被夹紧。因此，锥度不需要到达加载装置的端。厚度恒定的矩形板簧不能最佳地利用现有的材料。因此，弯曲应力在弹簧的长度上保持恒定的形状更适合。这可以在弹簧的长度上实现均匀的材料应力。优选地，加载装置通过减小宽度而通过梯形过渡部分渐缩，其中，材料的厚度保持相同。可选地，加载装置包括锥形或棱锥形过渡部分并且通过同时减小厚度和宽度渐缩。这种形状的板簧被称为抛物线弹簧、梯形弹簧或双曲线弹簧。

使压电致动器克服加载装置的预加载力，在粘滑驱动的粘着阶段中或滑移阶段中驱动联接部分被证明是可行的。结果，加载装置越来越被张紧或加载，由此加载装置的恢复力增加。结果，可以建立张紧势能，其可以有利地用于，例如，粘滑驱动的另一驱动阶段中。

由于加载装置的预加载力，使加载装置在粘滑驱动的滑移阶段中或粘着阶段中位移联接部分也是有用的。然后可以释放加载装置的先前获得的张紧势能。

在粘滑驱动的粘着阶段中使联轴节与轴一起围绕轴的轴线旋转可能是有利的。与US 5,410,206已知的解决方案相比，其中，轴由联接部分的切向运动驱动，轴通过与轴旋转的联接部分被更好地引导，从而也可以传递更大的机械力。

还可以证明有利的是，使联接部分具有至少暂时支撑在加载装置上的，优选地在加载装置的两个保持部分之间的中心处的轴承，其中，处于粘滑驱动的粘着阶段中或滑移阶段中的轴承克服加载装置的预加载力优选地压靠加载装置，和/或处于粘滑驱动的粘着阶段中或滑移阶段中的轴承由于加载装置的预加载力而被加载装置移位。优选地，当张紧势能形成时，加载装置受到弯曲应力。然后，轴承优选地居中地压在板簧上，优选地，例如，在垂直于延伸平面的两个保持部分之间，使得板簧基本上被带到弯曲状态。该实施例的优点是联接部分与加载装置直接相互作用。当板簧在与联接部分的轴承接触的区域中有利地具有恒定的宽度时，而相邻的板簧部分的宽度渐缩，弯曲应力或变形的局部夸张发生在板簧与轴承接触的区域中的板簧的弯曲状态中，这导致板簧中轻微的V形和在轴承上的稳定的平衡位置，从而防止板簧相对于轴承的位移。

使加载装置由脆性材料制成也可以被证明是实用的。脆性材料接近弹性极限破裂，而没有或仅具有轻微的塑性变形(脆性断裂)。这种材料通常硬度很高。因此，然后可以施加相当大的力。该实施例开创了使用特别是金属或陶瓷材料的用于加载装置的全新材料。因此，根据本发明的压电旋转驱动器在其可能的应用方面不再受到加载装置的材料的限制。相反，出现其他应用领域，诸如高纯度真空、强周围磁场或低温环境。

这对于使加载装置至少在加载区域中，优选地在加载装置的整个长度上，不会发生塑性变形是有用的。加载区域优选地在两个保持部分之间延伸，在该保持部分之间加载装置被夹紧，或者在加载输入和加载输出的点之间加载装置被夹紧。塑性变形需要势能弱点，并且因此限制了加载装置的应用范围，特别是可分别产生和转移的张紧力。

此外，将加载装置和/或压电致动器和/或轴布置在框架的相同的纵向侧上可能是有利的。这允许框架的简单结构，同时具有高夹紧力的可靠传递。特别地，通过这样的布置，也可以毫不费力地确保相对于框架预加载压电致动器。

根据另一个有利的实施例，联接部分至少部分地围绕轴，优选超过周长的一半以上，其中，联接部分优选地包括限定联接开口的两个支腿，其中，一个支腿形成用于夹紧保持部分的加载装置和另一支腿形成轴承。这种布置使得轴和致动器能够以易于处理的方式安装在框架上。优选地，形成轴承的支腿或形成保持部的支腿具有通过非接合部分彼此分离的两个接合部分，并且相应的另一支腿具有接合部分，其中，接合部分与轴接合，并且非接合部分因此不接触轴。因此，总体而言，产生与轴接触的三个相互分开的接合部分。这确保了联接部分将基本上旋转的运动传递到轴，并且，例如，不会被激活进行摇摆运动。

特别优选地，框架包括在中间空间中形成两个插座的三个支腿，其中，轴被布置在第一外部支腿和中心支腿之间的一个插座中，并且压电致动器被布置在第二外部支腿和中心支腿之间的另一插座中，其中，加载装置在框架的两个外部支腿之间被夹紧，其中，框架的中心支腿优选地形成轴承，其中，第二外部支腿以铰接方式连接到中心支腿，优选通过柔性铰链。因此，能够以特别有利的方式实现加载装置和框架的联接部分之间的力的传递。在该实施例中，轴和压电致动器均设置在框架的两个外部支腿之间，在该两个外部支腿之间，加载装置被张紧。结果，致动器、轴和联接部分同时可以通过相同的加载装置承受预加载力，这增加了接触压力并且因此增加了压电旋转驱动器的可移动部件之间的可转移力。

本发明的进一步优选的实施例来自权利要求书、附图和说明书中描述的特征的组合。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的压电旋转驱动器的立体图。

图2示出了图1的压电旋转驱动器的进一步的立体图。

图3示出了从加载装置观察的图1的压电旋转驱动器基本上垂直于轴的轴向并且垂直于加载装置的延伸平面的顶视图。

图4示出了从压电致动器观察的图1的压电旋转驱动器的在轴的轴向上的侧视图。

图5示出了从在加载装置的第一状态中的压电致动器观察的图1的压电旋转驱动器在轴的轴向上的进一步侧视图。

图6示出了从在加载装置的第二状态中的压电致动器观察的图1的压电旋转驱动器在轴的轴向上的进一步侧视图，其中，与根据图5的第一状态相比，框架和加载装置弹性变形。

图7示出了压电旋转驱动器的实施例的变型的立体图。

图8示出了从压电致动器观察的图7中的压电旋转驱动器在轴的轴向上的侧视图。

图9示出了根据该变型的从保持部分观察的图7的压电旋转驱动器的实施例的变型的立体图。

参考标号列表

1 压电旋转驱动器

2 轴

3 压电致动器

4 框架

4a-c 框架的支腿

4d 柔性铰链

5 联接部分

6 加载装置

6a 中心区域

6b 过渡部分

6c 端部部分

7、8、10 保持部分

9 轴承

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的优选实施例。

压电旋转驱动器1的框架4基本上是W形并且包括三个支腿4a、4b、4c，它们在中间空间中形成朝向框架4的同一侧开口的两个插座。轴2被布置在这些插座的在第一外部支腿4a和中心支腿4b之间的一个插座中，其中，轴的轴线基本上垂直于框架4的延伸平面定向。框架4的这两个支腿4a、4b形成基本上U形的联接部分5，该联接部分延伸超过轴2的圆周的一半以上并且限定联接开口。

压电致动器3被布置在框架4的中心支腿4b和第二外部支腿4c之间的另一插座中。第二外部支腿4c通过柔性铰链4d铰接地连接到框架4的中心支腿4b。

通过向安装在致动器元件上的电极施加控制电压，压电致动器3在与轴2的圆周相切或基本相切地延伸的一个工作方向上变形。结果，形成联接部分5的部分的框架4的中心支腿4b通过致动压电致动器3在轴2的圆周方向上移动。由于机械条件，特别是因为中心支腿4b基本上刚性地连接到框架4的第一支腿4a以形成联接部分5，但是以铰接方式通过其上支撑有压电致动器3的柔性铰链4d联接到框架4的第二外部支腿4c，压电致动器3的直线运动被转换为联接部分5围绕轴的轴线旋转或枢转运动。

在本实施例中，加载装置6被设计为双面平板簧并且被夹紧在框架4的外部两个支腿4a、4c处的两个保持部分7、8之间。加载装置6具有恒定厚度并且在卸载和松弛状态下基本上在沿着两个保持部分7、8之间的直线的平面内延伸。从其中加载装置6具有最大宽度的近似矩形的中心区域6a开始，加载装置6向近似梯形过渡部分6b的两端渐缩直到钩形端部部分6c，钩形端部部分6c以形状配合的方式与钩形保持部分7、8接合。双面板簧的这种形状在弹簧的长度上产生恒定的或至少近似恒定的弯曲应力并且被称为，例如，梯形弹簧。保持部分7、8各自形成在框架4的两个外部支腿4a、4c的自由端上。两个保持部分7、8之间的加载装置6的至少加载区域没有塑性变形，从而在两个保持部分7、8之间的这个连续区域中不存在机械弱点。

框架4的代表联接部分5的部分的中心支腿4b在其自由端形成轴承9，该自由端在两个保持部分7、8之间的中心处的加载装置6处被支撑。在粘滑驱动的粘着阶段中或滑移阶段中，根据压电旋转驱动器的操作方向，轴承9克服加载装置的预加载力压靠加载装置6。因此，加载装置6被充电，从而增加加载装置6的张紧势能。在粘滑驱动的分别随后的滑移阶段中或粘着阶段中，由于加载装置6的预加载力，轴承9被加载装置6移位。从加载装置6和轴承9之间的接合产生的力支撑用于旋转地驱动轴的联接部分的旋转或枢转运动。

为了表示的原因，图5中的加载装置6具有平面形状，尽管实际上它在安装状态下总是略微弯曲。由于轴承9和两个保持部分7、8之间的几何关系，所述弯曲形状出现在加载装置6的安装状态中，其中，加载装置6的变形是纯弹性的。由于加载装置6的弹性变形，产生的力导致轴承9将中心区域6a基本上垂直于加载装置6的延伸平面移位。此外，通过在两个保持部分7、8处安装或固定加载装置6并且利用轴承9处的相应的支撑来获得静态确定的固定架。

结果，本发明能够使用特别容易产生和安装的加载装置6。特别地，使用平坦弹簧，其被设计为板簧并且被加载成在中心处弯曲，而不是围绕轴和框架的周长的一半延伸并且像在DE 102011109590 A1的第一个实施例中被加载成张紧的预成形或变形的弹簧。这种弹簧的优点是省略相应的成形步骤和使用具有相当高的张紧屈服点的脆性或塑性不可变形的材料，从而可以施加明显更高的预加载力。此外，可以明显地减小加载装置的长度，从而可以节省大量的材料。最后，本发明提供了以简单且便宜的方式尝试多种不同且容易生产的具有框架4的现有几何形状的加载装置的可能性，从而因此实现弹簧或预加载力的最佳适配。

下面将参照上述实施例和附图描述本发明的进一步优选实施例。这个进一步的优选实施例在其结构上对应于上述实施例，并且下面将仅进一步解释细节或变化。保持部分7、8各自形成在框架4的两个外部支腿4a、4c的自由端上。保持部分7基本上形成为支腿4a中的凹槽，而外部支腿4c基本上包括作为保持部分8的部分的突起。保持部分7、8的这种几何形状允许框架4的相对简单地生产并且允许从这侧简单地安装加载装置6。特别地，外部支腿4c必须满足非常特殊的要求。其几何形状必须首先确保从通常在30N至40N之间的安装情况产生的加载装置6的预加载力被安全地吸收，而在外部支腿4c处不产生任何明显的变形。同时，外部支腿4c必须具有弹性性质，这使得能够补偿由于致动器的变形而导致的该区域中的框架的变形，从而加载装置6和固定部分8之间的不利的相对运动不会或只是微不足道地产生。由于致动器长度的变化是前述所需的弹性变形的4μm，所以外部支腿4c通常可产生1N的最大阻力。为了达到上述要求，设计外部支腿4c使得它在突起或与突起相邻的区域中具有相对较大的材料横截面，以便随后朝向框架4的与支腿4c相邻的部分减小或渐缩。

该进一步的优选实施例能够实现与前述实施例相同的应用领域并具有类似的优点。

下面将进一步参照图7和图9对本发明的优选实施例的一个变型进行描述。优选实施例的这种变型在其结构上对应于上述实施例，并且下面将仅进一步说明的细节或变化。

在这种变型中，加载装置6也被设计为双面平板簧并且被夹紧在框架4的外部支腿4a上形成的保持部分7和在框架4的外部支腿4c上形成的保持部分10之间。框架4的外部支腿4a上的保持部7对应于上述实施例的保持部分。框架4的外部支腿4c上的保持部分10基本上由通过螺钉12被拧到支腿4c上的片状金属板11形成。如图所示，形成在片状金属板11中的是开口，至其中的加载装置6的端部部分6c延伸并被片状金属板的突起紧固。分别通过开口的构造或突起的尺寸来调节加载装置的预加载。可选地，可以通过，例如，通过长孔位移片状金属板11来实现预加载的相应调节。

加载装置被引导或支撑在片状金属板11的开口中的两侧上，从而有效地防止了加载装置在与加载装置的延伸方向基本上垂直的方向上的任何滑动或位移。此外，片状金属板11容易提供进一步需要的轴承特性，即，在用于吸收加载装置的预加载力的片状金属板的纵向方向上的较大刚度，并且同时较低的抗弯刚度，从而片状金属板因此容易地变形以防止加载装置和片状金属板之间的相对运动，其中片状金属板的突起也有利地有助于此。

在示出的实施例中，框架4的外部支腿4c上的保持部分10基本上由通过螺钉12被拧到在致动器附近的支腿4c上的片状金属板11形成。可选地，框架4的进一步外部支腿4c上的保持部分基本上由通过螺钉12被拧到远离致动器的支腿4c上的片状金属板11形成。在另一可选方案中，保持部分、框架的两个外部支腿各自基本上由片状金属形成，并且各自均通过螺钉被拧到相应的支腿。

说明的该进一步的优选实施例和可选方案使能够实现与前述实施例相同的应用领域并具有类似的优点。

Claims (15)

1.一种用于轴的压电旋转驱动器(1)，所述压电旋转驱动器包括至少一个压电致动器(3)、具有可以以力配合的方式联接至所述轴(2)的联接部分(5)以实现粘滑驱动的可调整和/或可变形的框架(4)、以及被设计成向所述联接部分(5)和/或所述致动器(3)和/或所述轴(2)施加预加载力的至少一个加载装置(6)，其特征在于，所述加载装置(6)被设计为在松弛状态下基本上在平面中，优选地沿着直线延伸的板簧。

2.根据权利要求1所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述加载装置(6)被设计为双面板簧并且在两个保持部分(7、8、10)之间被夹紧。

3.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述加载装置(6)在所述弹簧的长度上产生恒定的弯曲应力，其中所述加载装置(6)优选地朝向至少一端，优选朝向两端渐缩。

4.根据权利要求3所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，从中心部分开始的所述加载装置(6)朝向两端渐缩，同时具有恒定的宽度和/或厚度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述压电致动器(3)克服所述加载装置(6)的预加载力在所述粘滑驱动的粘着阶段中或滑移阶段中驱动所述联接部分(5)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，在所述粘滑驱动的滑移阶段中或粘着阶段中的所述加载装置(6)克服所述加载装置(6)的预加载力位移所述联接部分(5)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述联接部分(5)在所述粘滑驱动的粘着阶段中与所述轴(2)一起围绕所述轴的轴线旋转。

8.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述联接部分(5)包括在所述加载装置(6)上，优选地在所述装载装置(6)的两个保持部分(7、8、10)之间的中心处至少临时地支撑的轴承(9)，其中优选地，处于所述粘滑驱动的所述粘着阶段中或所述滑移阶段中的所述轴承(9)克服所述加载装置(6)的所述预加载力压靠所述加载装置(6)和/或处于所述粘滑驱动的所述滑移阶段中或所述粘着阶段中的所述轴承(9)由于所述加载装置(6)的所述预加载力被所述加载装置(6)移位。

9.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述加载装置(6)由脆性材料制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述加载装置(6)至少在加载区域中，优选在所述加载装置(6)的整个长度上没有塑性变形。

11.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述加载装置(6)以力配合和/或物质配合和/或形状配合的方式附接到至少一个保持部分(7、8、10)，优选地附接至两个保持部分(7、8、10)，其中优选地所述保持部分(7、8、10)的至少一个，优选地，两个保持部分(7、8、10)形成在所述框架(3)上。

12.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述联接部分(5)至少部分地围绕所述轴(2)，优选地超过周长的一半以上，其中所述联接部分(5)优选地包括限定联接开口的两个支腿(4a、4b)，其中所述支腿(4a)中的一个形成用于夹紧所述加载装置的保持部分(7)和所述另一支腿(4b)形成轴承(9)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述框架(4)包括在中间空间中形成两个插座的三个支腿(4a、4b、4c)，其中，所述轴被布置在第一外部支腿(4a)和中心支腿(4b)之间的所述一个插座中，并且所述压电致动器(3)被布置在第二外部支腿(4c)和所述中心支腿(4b)之间的所述另一插座中，其中，所述加载装置(6)在所述框架(4)的所述两个外部支腿(4a、4c)之间被夹紧，其中，所述框架(4)的所述中心支腿(4b)优选地形成轴承(9)，其中，所述第二外部支腿以铰接方式连接到所述中心支腿(4b)，优选通过柔性铰链(4d)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述保持部分(10)中的至少一个通过特别以可调节方式锁定所述加载装置(6)的元件(11)形成。

15.根据前述权利要求中任一项所述的压电旋转驱动器(1)，其特征在于，所述保持部分(10)中的至少一个由特别是以可调节的方式锁定在所述支腿(4c)中的一个，特别是所述第二外部支腿的元件(11)形成。