CN1313673A - 压电致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于驱动可动部件(2)如转子的压电致动器(1),具有伸长压电谐振器(3),用于完成纵向振动并通过弹性装置(10)如弹簧(10)起作用。弹性装置(10)主要在纵向(11)作用于压电谐振器(3)并用于在朝可动部件(2)的方向对谐振器(3)施加力,弹性装置(10)的谐振频率明显小于压电谐振器(3)的谐振频率,且压电谐振器(3)在垂直于其纵向(11)被至少一个导向元件(4,5)导引。这样使谐振器(3)尽可能地自由振动,产生更高的效率。

Description

压电致动器
本发明涉及通过利用伸长压电谐振器用于驱动可动部件的压电致动器，其用于执行纵向振动并通过弹性装置起作用。
在小电器中压电驱动的使用变得日益增多，因为这类驱动在使用中非常强劲，紧凑及灵活。文件US4,019,073描述了这种压电驱动。它涉及用于驱动轴的纵向振动压电谐振器。另外，压电谐振器一端面向固定到弹簧的轴，该弹簧垂直于转子施加力，并迫使转子抵抗该力。这在效率上有不利的影响。
本发明的目的是提供具有高效率的压电致动器。
根据本发明，如此实现该目的，设置至少一个压电谐振器和一个至少在其纵向谐振的方向上对压电谐振器施加力的弹簧装置，使弹簧装置作用于压电谐振器，弹簧装置的谐振频率基本低于压电谐振器的谐振频率。
本解决方案的主要优点是，压电谐振器可在振动的纵向振动而不必克服大的阻力。当谐振器伸展时，它将一个力施加于可动部件上，结果使可动部件开始运动。该力可仅当它遇到反作用力时才被施加。该反作用力通常由弹性装置施加。当谐振器收缩时，弹性装置的反作用力应尽可能小。这是可能的，因为压电谐振器和弹性装置没有互相固定，而仅仅互相紧靠，并由于压电谐振器和弹簧装置不同的谐振频率可互相脱离。由于压电谐振器可更自由地振动，它的效率得到了提高。与此相反，按照US4,019,073的压电谐振器要求施加部分电能以克服摩擦阻力和拉伸弹簧装置。
在权利要求2限定的实施例中，压电谐振器驱动转子。为了进一步提高效率，重要的是在压电谐振器和转子之间找到一个最优角。该角度特别取决于谐振器和转子的材料性质以及由此决定的摩擦系数。最优角可由该系数计算得到并设定。
权利要求3限定的实施例具有这样的优点，在其面向转子的一端，压电谐振器不能从转子移开。这就以可靠的方式保证了谐振器不能离开转子。
在权利要求4中限定的实施例中，下述问题得到了解决：由于压电谐振器与导向元件之间的摩擦以及转子上谐振器的压力，终于由于磨损而侵蚀材料增大了角度。为了防止这种情况，选择角度稍小于计算的角度，这样允许在运行期间角度增加。
权利要求5限定的实施例改进了压电谐振器的功率传送。为了提高效率，在面向转子的压电谐振器的端子上沉积硬材料。该材料具有抗磨损且同时提供谐振器和转子之间的准确功率传送所需的高摩擦系数。
权利要求6中限定的多层谐振器能以明显低于传统的单层谐振器的电压运行。这样降低功率消耗。
利用权利要求7限定的实施例，可以实现通过谐振器和正交于谐振器方向的导向元件之间的接触区域向导向元件传递较少能量。因此，有意设置了谐振器和导向元件的传声不匹配。
根据权利要求8，压电致动器用于驱动电剃须刀中的切割元件。这样与具有传统电马达的剃须刀相比，大大降低了电力消耗和重量。
权利要求9和10中限定的实施例考虑一种具有旋转切割元件的剃须刀。节省空间的压电致动器的使用，使有可能为具有多个转子的剃须刀的每一个转子提供单独的驱动。这样能使被驱动的转子互相完全独立并以不同的速度旋转。传统的电动马达需要很大空间，以至于具体到剃须刀中，存在仅一个马达的仓。只能通过齿轮传输才能实现公共驱动马达之间的速度差异，这样构造更复杂且马达之间的速度差不可变。
下面，结合附图通过例子更详细介绍本发明的实施例。
图中：
图1显示了具有压电谐振器、导向元件、弹簧和待驱动马达的压电致动器，以及
图2是具有三个压电致动器和三个旋转切割元件的电动剃须刀。
图1显示了压电致动器1，它驱动转子2。致动器有一个伸长的谐振器3，能够在导向元件4和5之间完成纵向振动。谐振器6的一端6有一个与转子2的周表面8的接触点7。这里，为了使转子旋转，产生了功率传送。弹簧10作用于谐振器的另一端9，这样作用于谐振器的弹簧力方向基本上相同于谐振器的纵向11。该弹簧仅仅作用于谐振器而不与谐振器固定。然而，弹簧可交替地作用于谐振器的另一端。
谐振器3和转子2形成锐角α。该α角即为谐振器3纵向11与通过接触点7的转子周表面8法线方向之间的角度。最优效率要求的α角可借助压电谐振器3和转子2之间的摩擦系数计算。为此，可参考EP01313130。但是，为了允许磨损影响，选择α角稍小于根据压电谐振器3和转子2之间摩擦系数计算得到的最优角α。通过选择沉积在压电谐振器3的端6上的另一种材料的层，可以增加该摩擦系数。优选地，所述材料的层也是硬的，以便获得高接触刚度。在高接触刚度情况下，只需要小量的压电谐振器振幅来产生法线力。谐振器离开转子越远，性能越高，即，对于相同的施加电压，振动幅度越大，在相同输出转矩下速度越高。为此，转子2也设有层或全部由硬材料制成。因此，材料层13和转子镀层应互相适应，使接触刚度和同时这两个材料之间的摩擦系数都大。最好，硬材料是Al2O3。
为了使压电谐振器3仅沿其振动方向移动，谐振器由两个斜相对的导向元件4、5导向。这些导向元件与谐振器3的导向表面14、15配合，并构造成使压电谐振器可在它们之间自由地进行纵向振动。为此，导向元件4、5由声阻抗比压电谐振器3更小的材料制成。这就最大可能地防止能量从谐振器3传送到导向元件4、5。为了能在较长的压电谐振器情况下获得更好的导向，也可能提供多于所示的两个导向元件。此外，图1显示导向元件以这种方式布置，导向元件4位于比另一个导向元件5更接近转子2，导向元件4与压电谐振器3的导向表面14配合，导向表面14趋于在运行期间移离转子4。换句话说，与导向元件4配合的谐振器3的导向表面14相对于转子周表面8的切向平面16形成大于90度的β角，切向平面通过接触点7延伸。
在谐振器3的静止位置，弹簧10在小预定负载下被施加到谐振器。在运行中，谐振器完成纵向振动，即，它交替拉伸和收缩。在拉伸期间，谐振器的接触点7撞击转子2的周表面8，在转子上产生法线向力N和切向力T。切向力T使转子旋转，而法线向力N在谐振器3上产生反作用力，反作用力由弹簧10和导向元件4、5吸收。在收缩期间，由于弹簧10和谐振器3的谐振频率的大差异，谐振器3的端9至少暂时与弹簧10分离。
图2显示了具有三个旋转剃须头18的电动剃须刀17。每个剃须头有一个带毛发进入孔20的外切割件19和内切割件21，内切割件21可相对于外切割件19被驱动。内切割件21有一个刀片22置于其上的旋转轴2。该轴也形成参照图1描述的转子2并由压电致动器1驱动。因此，每个内切割件21由致动器1直接驱动。这样可以取消齿轮传输。在切割件20以不同速度运行时这将特别有益，转子可以互相完全独立驱动。也可以利用多于一个的致动器驱动每个转子。
代替用于驱动转子，根据本发明的压电致动器也可用于电器的振荡驱动，例如驱动所谓振动剃须刀的切割件。这可能需要使用减速齿轮。

Claims (10)

1、用于驱动可动部件(2)的压电致动器(1)，具有伸长的压电谐振器(3)，其用于完成纵向振动并通过弹性装置(10)起作用，其特征在于弹性装置(10)主要在纵向作用于压电谐振器(3)并用于沿朝可动部件(2)方向将力施加于谐振器(3)上，弹性装置(10)的谐振频率明显小于压电谐振器(3)的谐振频率，且压电谐振器(3)在与其纵向(11)垂直的方向至少由一个导向元件(4,5)导向。
2、根据权利要求1的压电致动器，其特征在于压电谐振器(3)驱动转子(2)，压电谐振器⑶的振动方向相对于法线(12)形成锐角(α)，法线(12)通过转子(2)和谐振器(3)的接触点(7)垂直于切向平面16)延伸，该说角(α)提供最大效率。
3、根据权利要求2的压电致动器，其特征在于压电致动器(3)有至少两个与导向元件(4,5)配合的面对的导向表面(14,15)，为了防止压电谐振器(3)从转子(2)移开，与压电谐振器(3)导向表面(14)配合的导向元件(4)位于比任何其他导向元件(5)更接近转子(2)，导向表面通过转子(2)和谐振器(3)的接触点(7)相对于切向平面(16)至转子(2)形成大于90度的角度(β)。
4、根据权利要求2的压电致动器，其特征在于选择的角度(α)小于效率最大的最优角。
5、根据权利要求2的压致动器，其特征在于在压电谐振器(1)与转子(4)的接触点处压电谐振器(1)和转子本身有非常硬的材料的镀层，特别是Al2O3。
6、根据权利要求1的压电致动器，其特征在于纵向振动压电谐振器(1)是多层谐振器。
7、根据权利要求1的压电致动器，其特征在于导向元件(2a,2b)的材料的声阻抗比压电谐振器(1)的材料的声阻抗小。
8、具有由至少一个如权利要求1所述的压电致动器驱动的至少一个切割件(21)的电动剃须刀。
9、根据权利要求8的电动剃须刀，其特征在于切割件(21)具有转子(2)，该转子可由如权利要求2-7中任一个所述的致动器(1)旋转驱动。
10、根据权利要求9的电动剃须刀，其特征在于它有至少两个切割件(21)，该切割件可由转子(2)旋转驱动且转子(2)可以不同速度旋转。
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