运动控制系统及在该系统中使用的紧凑型多用途粘滑压电电动机技术方案

一种运动控制系统(10)，包括基座(15)、由基座(15)支撑并且可相对于基座(15)移动的工作台(20)和联接到基座(15)并且可操作以移动工作台(20)的电动机(25)。电动机(25)包括布置成将电动机(25)连接到基座(15)的安装基座(100)、可与工作台(20)接合的摩擦垫(95)以及包括连接到安装基座(100)的第一端和第二端的联接部(115)。摩擦垫(95)被在第一端和第二端之间连接到联接部(115)。压电元件(90)被布置在安装基座(100)和第二端之间并且响应于电信号可操作以移动摩擦垫(95)和工作台(20)。安装螺钉(55)可从基座(15)的外部接近并且接合联接部(115)。安装螺钉(55)是在电动机(25)和基座(15)之间的唯一附连机构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】背景压电元件被用作定位机械设备时的驱动部件。这些“压电电动机”(有时称为“压电致动器”)具有超出其它类型的传统电动机的一些独特的优点，这使它们成为在特定应用中的优选的选择。压电元件作为运动设备的典型用途是通过使用其放置在电场中时在一个方向上膨胀的特性。通过在一系列电极之间堆叠多个薄的压电元件，也可能会提高压电致动器的相对膨胀，但是该运动仍然相对于设备的整体尺寸保持极小。对于需要行进范围小于几百微米的移动并且分辨率在纳米范围内的应用，压电致动器是通常的喜爱。这些实现可以或可以不使用机械放大器(典型地使用“杠杆臂”原理)，并且直接联接到负载。使用这种类型的驱动机构的压电式运动设备典型地使用基于柔性的机构，并且能够有快的速度和小于纳米的分辨率。为了实现更长的行进范围，一种类型的已经开发的压电电动机是基于摩擦的配置，其中一个或多个摩擦“腿”与磨擦“轨道”接触。通过在各腿和该轨道之间施加恒定的高的压力，各摩擦腿可以“粘”到该摩擦轨道。压电元件被附连到摩擦“腿”或则“轨道”。当缓慢变化的电压被施加到压电元件时，相应的摩擦元件将移动。由于高摩擦力，两个摩擦元件将“粘”在一起并且一起移动。如果驱动压电元件的电信号非常迅速地变化，摩擦元件将因与所涉及的部件相关联的质量的惯性而相对于彼此“滑动”。在该实际运动在压电元件的缓慢移动阶段期间发生的同时，滑移改变摩擦腿和摩擦轨道之间的相对位置，从而有效地让压电元件来将新的位移添加到以前的一个。大的行进距离可以通过重复这个循环多次并且将小的压电移动有效地“拼接”在一起来实现。这种类型的压电电动机的行进长度典型地仅受限于摩擦轨道的长度。该轨道可以是线性或环状的，允许电动机来产生线性或旋转运动。这些类型的电动机都典型地被称为压电“粘滑”电动机。最流行的粘滑电动机的当前实现可以被分组在两个类别中，基于各摩擦腿相对于摩擦轨道的配置。第一类型将各摩擦腿布置在摩擦轨道周围，有效地形成了在成形为棒的轨道上的夹具。这些电动机具有同心配置的优点，允许要施加的高预载力而不给它们被安装到的运动设备施压。主要缺点是，该预载力不能被调整并且该行进可以受限于棒的长度。压电元件可以被附连到夹具或者棒，伴随对于每个配置的优点和缺点。在第二类型的粘滑电动机中，压电元件典型地被附连到一个或多个摩擦腿，其都只在一侧与摩擦轨道接触。这允许电动机的活性零件(压电元件和摩擦腿)来被构建为可能被切向地附连到任何线性或旋转的轨道的单独的单元。这些类型的电动机是更通用的，但有产生较低的力并且向它们被附连到的运动装置的轴承增加应力的缺点。概述本专利技术对现有设计作出一些显著增强。所提出的粘滑电动机配置在可制造性、易用性、简单性、成本和性能方面提高了，同时显著降低了用于所产生的相同的力的电动机的尺寸。在一种构造中，本专利技术提供一种运动控制系统，其包括基座、由所述基座支撑并且可相对于所述基座移动的工作台以及联接到所述基座并且可操作以移动所述工作台的电动机。所述电动机包括布置成将所述电动机连接到所述基座的安装基座、可与所述工作台接合的摩擦垫以及包括第二端和连接到所述安装基座的第一端的联接部。所述摩擦垫被在所述第一端和所述第二端之间连接到所述联接部。压电元件被布置在所述安装基座和所述第二端之间并且响应于电信号可操作以移动所述摩擦垫和所述工作台。安装螺钉可从所述基座的外部接近并且接合所述联接部。安装螺钉是在所述电动机和所述基座之间的唯一附连机构。在另一种构造中，本专利技术提供一种运动控制系统，其包括基座、由所述基座支撑并且可相对于所述基座移动的工作台以及联接到所述基座并且可操作以移动所述工作台的电动机。所述电动机包括布置成将所述电动机连接到所述基座的安装基座、可与所述工作台接合的摩擦垫以及包括第二端和连接到所述安装基座的第一端的联接部。所述摩擦垫被在所述第一端和所述第二端之间连接到所述联接部。所述电动机还包括压电元件，压电元件被布置在所述安装基座和所述第二端之间并且响应于电信号可操作以移动所述摩擦垫和所述工作台。预载构件包括电动机端和调整端。所述电动机端与所述电动机接触并且可移动以将可变预载力施加到所述电动机。所述调整端被定位成可从所述基座的外部接近并且大致与所述基座齐平。在又另一种构造中，本专利技术提供一种运动控制系统，其包括含有第一腔的基座、被定位在所述第一腔内并且可相对于所述基座移动的工作台以及联接到所述基座并且可操作以移动所述工作台的电动机。所述电动机包括布置成将所述电动机连接到所述基座的安装基座、可与所述工作台接合的摩擦垫以及含有第二端和连接到所述安装基座的第一端的联接部。所述摩擦垫被在所述第一端和所述第二端之间连接到所述联接部。所述电动机还包括压电元件，其被布置在所述安装基座和所述第二端之间并且响应于电信号可操作以移动所述摩擦垫和所述工作台。所述电动机界定电动机周边，并且在所述周边内的空间的至少90％是由所述电动机和所述压电元件填充。在仍另一种构造中，本专利技术提供用于在运动控制系统中使用的压电电动机。所述压电电动机被支撑在基座中并且可操作以移动所述工作台。所述压电电动机包括被布置以将所述压电电动机连接到所述基座的安装基座、可与所述工作台接合的摩擦垫以及联接到所述安装基座并且响应于电信号可操作以移动所述摩擦垫的压电元件。联接部包括连接到所述安装基座的第一端和联接到所述压电元件的第二端。所述摩擦垫被在所述第一端和所述第二端之间连接到所述联接部。所述联接部包括锥形弹簧，所述锥形弹簧具有带有第一宽度的第一端、带有第二宽度的第二端和带有转弯宽度的转弯部，其中，所述第一宽度和所述第二宽度比所述转弯宽度小。本专利技术的其它方面将通过考虑详细描述和附图变得明显。附图的简要说明图1是实施本专利技术的运动控制系统的立体分解图；图2是图1的运动控制系统的顶视图；图3是适合于在图1的运动控制系统中使用的粘滑压电电动机的顶视图；图4是示出了图3的粘滑压电电动机的转动能力的图3电动机的顶视图；图5示出在操作位置处带有预载螺钉的图3的电动机；图6示出被定位以驱动线性轨道的图3的电动机；图7示出被定位以驱动圆柱形轨道的图3的电动机；图8是图3的电动机的顶视图，示出了利用施加的预载的所计算的应力分布；图9是适合于在图1的运动控制系统中使用的另一种粘滑压电电动机的顶视图；以及图10是图10的电动机的示意性或象征性的表示。...

【技术保护点】
一种运动控制系统，包括：基座；工作台，其由所述基座支撑并且相对于所述基座是可移动的；电动机，其联接到所述基座并且可操作以移动所述工作台，所述电动机包括：安装基座，其布置成将所述电动机连接到所述基座；摩擦垫，其是与所述工作台可接合的；联接部，其包括第二端和连接到所述安装基座的第一端，所述摩擦垫被在所述第一端和所述第二端之间连接到所述联接部；以及压电元件，其设置在所述安装基座和所述第二端之间并且响应于电信号可操作以移动所述摩擦垫和所述工作台；以及安装螺钉，其是从所述基座的外部可接近的，所述安装螺钉接合所述联接部并且是在所述电动机和所述基座之间的唯一附连机构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.13 US 14/026,6661.一种运动控制系统，包括：
基座；
工作台，其由所述基座支撑并且相对于所述基座是可移动的；
电动机，其联接到所述基座并且可操作以移动所述工作台，所述电动
机包括：
安装基座，其布置成将所述电动机连接到所述基座；
摩擦垫，其是与所述工作台可接合的；
联接部，其包括第二端和连接到所述安装基座的第一端，所述摩
擦垫被在所述第一端和所述第二端之间连接到所述联接部；以及
压电元件，其设置在所述安装基座和所述第二端之间并且响应于
电信号可操作以移动所述摩擦垫和所述工作台；以及
安装螺钉，其是从所述基座的外部可接近的，所述安装螺钉接合所述
联接部并且是在所述电动机和所述基座之间的唯一附连机构。
2.根据权利要求1所述的运动控制系统，其中，所述安装部包括螺纹
孔，并且其中，所述安装螺钉可螺纹地接合所述螺纹孔以将所述电动机固
定地连接到所述基座。
3.根据权利要求1所述的运动控制系统，还包括预载构件，所述预载
构件包括电动机端和调整端，所述电动机端与所述电动机接触并且可移动
以将可变预载力施加到所述电动机，所述调整端被定位成是从所述基座的
外部可接近的。
4.根据权利要求3所述的运动控制系统，其中，预载力是在零和40N
之间可调整的。
5.根据权利要求1所述的运动控制系统，其中，所述电动机界定电动
机周边，并且其中，在所述周边内的空间的至少约70％由所述电动机和所

\t述压电元件填充。
6.根据权利要求1所述的运动控制系统，其中，所述联接部包括在所
述第二端处的联接垫和在所述联接垫和所述摩擦垫之间延伸的刚性联接
件。
7.根据权利要求6所述的运动控制系统，其中，所述联接部包括锥形
弹簧，所述锥形弹簧具有带有第一宽度的第一端、带有第二宽度的第二端
和带有转弯宽度的转弯部，其中，所述第一宽度和所述第二宽度比所述转
弯宽度小。
8.根据权利要求7所述的运动控制系统，其中，所述联接部大致上跟
从一迂回路径，所述迂回路径从所述联接垫大致在第一方向上沿着所述刚
性联接件延伸，在大致与所述第一方向相反的第二方向上从所述锥形弹簧
的第一端延伸到所述转弯部，大致在所述第一方向上从所述转弯部延伸到
所述锥形弹簧的第二端，并且大致在所述第二方向上从所述锥形弹簧的第
二端延伸到所述联接部的第一端。
9.根据权利要求3所述的运动控制系统，其中，所述电动机具有星形
构造，所述星形构造包括在固定端处连接到所述基座的第一臂、具有附连
到所述压电元件的移动端的第二臂和具有浮动端的第三臂，在所述浮动端
处所述预载被施加并且所述浮动端被用于预载调整。
10.根据权利要求3所述的运动控制系统，其中，所述预载构件包括
预载臂，所述预载臂包括跟从大致U形零件的第一部、跟从转弯通过近似
270度的路径的第二部和大致呈L形的第三部。
11.根据权利要求9所述的运动控制系统，其中，薄柔性件从所述联
接部延伸到支撑所述摩擦垫的刚性联接件并且柔性元件将所述安装基座
连接到U形构件，以完成大致U形段，所述U形段包括连接到所述安装
基座的两个端，其中所述摩擦垫被与所述U形段的开口端相对而支撑。
12.一种运动控制系统，包括：
基座；
工作台，其由所述基座支撑并且相对于所述基座是可移动的；
电动机，其联接到所述基座并且可操作以移动所述工作台，所述电动
机包括：
安装基座，其布置成将所述电动机连接到所述基座；
摩擦垫，其是与所述工作台可接合的；
联接部，其包括第二端和连接到所述安装基座的第一端，所述摩
擦垫被在所述第一端和所述第二端之间连接到所述联接部；以及
压电元件，其设置在所述安装基座和所述第二端之间并且响应于
电信号可操作以移动所述摩擦垫和所述工作台；以及
预载构件，其包括电动机端和调整端，所述电动机端与所述电动机接
触并且可移动以将可变预载力施加到所述电动机，所述调整端被定位成是
从所述基座的外部可接近的并且大致与所述基座齐平。
13.根据权利要求12所述的运动控制系统，其中，预载力是在零和
40N之间可调整的。
14.根据权利要求12所述的运动控制系统，其中，所述电动机界定电
动机周边，并且其中，在所述周边内的空间的至少约70％由所述电动机和
所述压电元件填充。
15.根据权利要求12所述的运动控制系统，其中，所述联接部包括在
所述第二端处的联接垫和在所述联接垫和所述摩擦垫之间延伸的刚性联
接件。
16.根据权利要求15所述的运动控制系统，其中，所述联接部包括锥
形弹簧，所述锥形弹簧具有带有第一宽度的第一端、带有第二宽度的第二
端和带有转弯宽度的转弯部，其中，所述第一宽度和所述第二宽度比所述
转弯宽度小。
17.根据权利要求16所述的运动控制系统，其中，所述联接部大致上
跟从一迂回路径，所述迂回路径从所述联接垫大致在第一方向上沿着所述
刚性联接件延伸，在大致与所述第一方向相反的第二方向上从所述锥形弹
簧的第一端延伸到所述转弯部，大致在所述第一方向上从所述转弯部延伸

\t到所述锥形弹簧的第二端，并且大致在所述第二方向上从所述锥形弹簧的
第二端延伸到所述联接部的第一端。
18.根据权利要求12所述的运动控制系统，其中，所述电动机具有星
形构造，所述星形构造包括在固定端处连接到所述基座的第一臂、具有附
连到所述压电元件的移动端的第二臂和具有浮动端的第三臂，在所述浮动
端处所述预载被施加并且所述浮动端被用于预载调整。
19.根据权利要求12所述的运动控制系统，其中，所述预载构件包括
预载臂，所述预载臂包括跟从大致U形零件的第一部、跟从转弯通过近...

【专利技术属性】
技术研发人员：威廉·库尔皮，
申请(专利权)人：物理仪器PI两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE