專利名稱：使用了可彈性變形驅動元件的低成本高傳力方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種精密運動系統，特別地講，涉及一種使用了帶有可彈性變形驅動元件的摩擦驅動器的低成本高傳力方法和裝置。
一種替代這些復雜精密系統的系統是使用摩擦驅動器的運動系統。摩擦驅動器通常包括由動力源例如電機轉動的驅動軸及沿直線方向移動的工作臺，所述工作臺由于受到所述軸的轉動而施加在其上的摩擦力(推力)的作用而直線運動。然而，摩擦驅動器的所述驅動軸通常會受到過分磨損。這是因為，摩擦驅動器需要很大的預負載，以便獲得絕大部分運動應用場合中所必需的推力，而又不會出現摩擦驅動器打滑，。
為了克服該磨損問題，低磨損材料，例如陶瓷可用于所述驅動軸。然而，低磨損材料使用起來昂貴，并且在必要的構型下通常很難加工。低磨損材料還會對所述驅動軸的摩擦系數造成負面影響。
因此，需要一種能夠提供足以移動多種加工設備的大推力而又不會導致所述驅動軸過分磨損的摩擦驅動器。
顯然，上面的概述和下面的詳細描述都是示例性的，本發明并不限制于此。
圖3是圖2中摩擦驅動器沿著圖2中線3-3剖切的剖視圖；圖4A是圖2中摩擦驅動器的有限元分析的圖解說明，其表示的是在力作用之前的開孔結構；圖4B是圖2中摩擦驅動器的有限元分析的圖解說明，其表示的是變形情況；圖5和5A是根據本發明示例性實施例的用于裝有粘彈性阻尼材料的摩擦驅動器中的可彈性變形傳動件；圖6和6A分別是圖5和5A中的可彈性變形傳動件沿著線6-6和6A-6A剖切的剖視圖；圖7是根據本發明示例性實施例的用于裝有磁阻尼的摩擦驅動器中的可彈性變形傳動件的剖視圖；圖8A是根據本發明示例性實施例的由作用有預加載力的摩擦驅動器的內部軸驅動的可彈性變形傳動件的剖視圖；圖8B是沒有預加載力作用時圖8A中的可彈性變形傳動件的剖視圖。
如果用在精密定位裝置中，上述現有技術的摩擦驅動器具有一個問題。為了使移動件20作精密運動，軸徑最好最小化。這是因為電機的角度誤差會轉換為移動件中更小的定位誤差。然而，在精密的定位裝置中，移動件可能具有實體塊例如夾具、工件、附件和類似物，這就需要大的預加載力來產生足夠大推力。軸10的小直徑和大的預加載力共同作用，就會導致軸、移動件或兩者的過度磨損。
如圖2和3所示，本發明通過提供可彈性變形傳動件100克服了與摩擦驅動器相關的上述及其他問題。可彈性變形傳動件100可以與圖2中所示的驅動軸形成為一體。在示例性實施例中，可彈性變形傳動件100可被安裝在
圖1所示的現有技術摩擦驅動器2中。然而，可彈性變形傳動件100不局限于圖1所示和上述的摩擦驅動器，對于本領域普通技術人員來說，顯然其可安裝在其它替代性摩擦驅動器中。
在圖2和3的示例性實施例中，可彈性變形傳動件100在旋轉超聲電機30的脈沖作用下沿著轉動方向106轉動。顯然轉動脈沖可通過不同于旋轉超聲電機的裝置來提供，例如旋轉氣動致動器、旋轉液壓致動器、絲杠和類似物。然而，旋轉超聲電機，特別是用來自日本東京Shinsei公司的型號為D6030的驅動器驅動的電機同樣來自Shinsei公司的型號為USR30的旋轉超聲電機，能夠提供高度可靠的角位移。
預加載力103施加在可彈性變形傳動件100上，使其壓向移動件20的表面22上。支承輥40使移動件20壓向可彈性變形傳動件100，以便盡管在移動件20運動過程中出現了較小非線性，也能在可彈性變形傳動件100和移動件20的表面22之間維持均勻的接觸力。可彈性變形傳動件100的轉動和接觸力在移動件20的表面22上產生摩擦力。該摩擦力起著推力作用，使移動件20沿著運動方向26移動。運動方向26基本上垂直于預加載力103的方向。
可彈性變形傳動件100在接觸區域101處與移動件20的表面22接觸(如圖3所示)。可彈性變形傳動件100在預加載力103所產生的接觸力的作用下發生彈性變形。與直徑等于可彈性變形傳動件100的非變形傳動件的接觸區域相比，所述彈性變形將會增大接觸區域101。因為所述接觸力與非變形傳動件的接觸力相同，所以推力基本上相同。然而，因為接觸力能被分散在增加的接觸區域上，所以在可彈性變形傳動件100和移動件20的表面22之間由于摩擦接觸所產生的磨損就會降低。
可彈性變形傳動件100的直徑被最小化，以維持定位解析度。定位解析度會被旋轉超聲電機30中的角度誤差降低。因此，當直徑減小時，角度誤差就會轉換為更小的定位誤差而且精確度得到改善。在本發明的示例性實施例中，所述直徑小于大約5.25mm，能夠獲得小于10nm的步進精度。減小可彈性變形傳動件100的直徑也會增加推動力，而增加可彈性變形傳動件100的直徑則會增加移動件20的速度。
可彈性變形傳動件100包括具有用于承受扭轉載荷和為了獲得所希望的推力而必需的預載荷的足夠強度的材料。所述材料也希望具有使其在所施加的接觸力作用下能夠發生彈性變形的足夠彈性，以便獲得所希望的推力。在示例性實施例中，可彈性變形傳動件100包括熱處理不銹鋼。
在示例性實施例中，可彈性變形傳動件100包括圓柱形壁或環111。圓柱形壁111的厚度尺寸的選取，要使之能夠在為了獲得所希望的推力而必要的接觸壓力的位置處提供彈性變形，而其直徑是基于為了獲得所希望的定位解析度而選取的。所述彈性變形使得可彈性變形傳動件100在預加載力103的方向上半徑減小，在垂直于預加載力103的方向上(也即運動方向26)半徑增大。在運動方向26上增大的半徑使得在接觸區域101處的曲率半徑增大，從而使得接觸區域101增大。圓柱形環可與旋轉超聲電機30的軸形成一體，并可被例如形成旋轉超聲電機30的軸外徑的圓柱形表面和與外徑基本同心的孔105限定。孔105可由車削、銑削或其他能夠在軸中提供基本上同心的孔的加工方法形成。在外徑約為5.25mm的可彈性變形傳動件100的示例中，所述孔的直徑可在大約4mm和4.6mm之間。厚度在大約0.325mm和0.625mm之間并包括熱處理不銹鋼材料形成的圓柱形壁發生變形，以增大在可彈性變形傳動件100和移動件20之間的接觸區域101。
可彈性變形傳動件100的變形及由此引起的接觸區域101的增大降低了接觸應力(由于預加載力103而施加在接觸區域上的力所產生的應力)。在示例性實施例中，該接觸應力減小到低于可彈性變形傳動件100、移動件20或兩者遭受磨損的屈服應力的水平。該磨損是在接觸應力超過圓柱形壁111或移動件20的材料的屈服應力時由圓柱形壁111或表面22的表面的損壞引起的。
可彈性變形傳動件100的變形增加了可彈性變形傳動件100在運動方向26上的剛度。這是因為剛度隨著半徑的增加而增加，而圓柱形壁111的半徑在運動方向26上增加了。在運動方向26上所增加的剛度通過減小死區和游隙改善了摩擦驅動系統的定位精度。
如圖4A和4B所示，有限元模型(FEM)被用來分析可彈性變形傳動件100。為了建模目的，可彈性變形傳動件100給出的是上面為直線工作臺的示例性實施例所提供的尺寸。揚氏模量采用190-210GPa。用于分析而施加的預加載力范圍為10-30磅。如圖4B所示，由于接下來預加載力的作用，在模型可彈性變形傳動件100B中發生了彈性變形，從而增大了其與移動件20的接觸區域。
在示例性實施例中，如圖5和6所示，孔105所提供的空間用于向可彈性變形傳動件100C提供緩沖。具體地講，在圖5所示的示例性實施例中，粘彈性材料500安置在孔105中。粘彈性材料500可如圖5和6所示填滿孔105。作為一種替代性方法，內部軸108可通過用粘彈性材料500填滿圓柱形壁111和內部軸108之間的間隙而安置在孔105中。內部軸108可如圖5A和6A所示延伸出圓柱形壁111，并被徑向軸承(未示出)限位。作為一種替代性方法，內部軸108可與可彈性變形傳動件100形成為一體。粘彈性材料500可以是多種本領域現有材料中的任意一種，以便能夠在響應施加力而發生變形的過程中通過吸收能量來提供緩沖。粘彈性材料500可在圓柱形壁111的內徑或孔105的底部或兩者處連接在可彈性變形傳動件100上。當移動件20在摩擦驅動系統中振動時，粘彈性材料500就會緩沖所述振動(吸收振動能量)，從而提高了摩擦驅動系統的定位解析度。
現參照圖7，示例性實施例表示的是使用磁場601來為電變形傳動件提供緩沖。磁場601由安置在可彈性變形傳動件100D的孔105內的磁鐵600產生。可彈性變形傳動件100D和移動件20D包括導電材料。當可彈性變形傳動件100D相對磁鐵600移動時，就會產生渦漩電流，其通過將振動能量作為通過可彈性變形傳動件100D和移動件20的熱量而散失的方式來緩沖摩擦驅動器的振動。
本發明的另一個示例性實施例如圖8A和8B所示。內部軸700安置在圓柱形壁111E的內部。在該示例性實施例中，內部軸700在預加載力(例如預加載力103)作用下移向移動件20。當作用預加載力103時，如圖8A所示，圓柱形壁111E因為在內部軸700和移動件20之間受到擠壓而會發生彈性變形。圓柱形壁111E采用這樣構造，即當沒有預加載力作用時其在接觸區域101E處不與內部軸700接觸，如圖8B所示。
包括在此圖示和描述的示例性實施例在內的摩擦驅動器，可用在將旋轉動力源精確地轉換到旋轉或直線移動件的運動轉換的多種應用中。要求定位精確的摩擦驅動系統的一個有利應用是直線工作臺，例如用在光學器件制作中。直線工作臺的定位精確度對于保持光學校直至關重要。然而，直線工作臺可能需要支撐很大的加工工具重量，這樣就需要大的推力。在此圖示和描述的本發明能夠為用在纖維光學器件制作的直線工作臺提供足夠大的推力，同時還能保持小于10nm的定位解析度。
盡管是根據某一特殊實施例而在上面進行圖示和描述，然而本發明并不僅限定在所示的這些細節上。更確切地講，在權利要求書的等同替代的范圍和領域內可在這些細節中進行各種更改，而且這些更改并沒有脫離本發明。
權利要求
1.一種包括傳動件和移動件的摩擦驅動系統，其中，所述傳動件通過在接觸區域與所述移動件摩擦接觸而將推力傳遞給所述移動件，并且所述傳動件發生彈性變形以增大所述傳動件和所述移動件之間的接觸區域。
2.如權利要求1所述的摩擦驅動系統，其特征在于可彈性變形的傳動件包括可彈性變形的驅動環，所述驅動環由與所述移動件摩擦接觸的圓柱形表面和基本與所述圓柱形表面同心的孔形成。
3.如權利要求2所述的摩擦驅動系統，還包括具有電機軸的電機，其中所述可彈性變形的驅動環連接在所述電機軸上。
4.如權利要求2所述的摩擦驅動系統，還包括具有電機軸的電機，其中所述可彈性變形的驅動環與所述電機軸形成為一體。
5.一種用在摩擦驅動系統中的軸，包括接觸部分，其在預加載力作用下通過與移動件的摩擦接觸而將推力傳遞給所述移動件；所述接觸部分構造成圓柱形壁，所述圓柱形壁具有這樣的厚度，即能夠使得所述圓柱形壁在預加載力的作用下發生彈性變形，以增大所述接觸區域。
6.如權利要求5所述的軸，還包括安置在所述圓柱形壁內的粘彈性材料，用來緩沖所述軸中的振動。
7.如權利要求5所述的軸，還包括安置在所述圓柱形壁內的磁鐵，其中所述圓柱形壁包括導電材料，因此所述圓柱形壁的移動會產生用于緩沖所述軸中的振動的渦漩電流。
8.如權利要求5所述的軸，還包括內部軸部分，其安置在所述圓柱形壁內；其中所述內部軸部分轉動所述圓柱形壁并將所述預加載力施加在所述圓柱形壁上。
9.一種摩擦驅動系統，包括移動件，其在第一方向上移動；軸，其具有基本上為圓柱形的表面，所述圓柱形表面在預加載力作用下與所述移動件接觸，因此所述軸的轉動能夠通過摩擦接觸而沿著所述第一方向將推力傳遞給所述移動件；所述軸具有基本上與形成圓柱形壁的所述圓柱形表面同心的孔，所述圓柱形表面在預加載力作用下發生彈性變形。
10.如權利要求9所述的摩擦驅動系統，其特征在于所述圓柱形壁受到接觸應力，并且所述圓柱形壁包括具有這樣屈服應力的材料，即所述圓柱形壁上的接觸應力小于所述圓柱形壁的屈服應力。
11.如權利要求9所述的摩擦驅動系統，還包括位于所述孔中的粘彈性材料，用于緩沖所述摩擦驅動系統中的振動。
12.如權利要求11所述的摩擦驅動系統，其特征在于所述粘彈性材料還包括內部軸，所述粘彈性材料安置在所述內部軸和所述圓柱形壁之間，并為所述摩擦驅動系統中的振動提供緩沖。
13.如權利要求9所述的摩擦驅動系統，其特征在于所述圓柱形壁的彈性變形增加了所述軸在所述第一方向上的剛度，從而降低了死區和游隙。
14.如權利要求9所述的摩擦驅動系統，還包括用于轉動所述軸的電機。
15.如權利要求14所述的摩擦驅動系統，其特征在于所述電機是超聲電機。
16.如權利要求9所述的摩擦驅動系統，其特征在于所述移動件是用于光學器件制作的直線工作臺。
17.如權利要求9所述的摩擦驅動系統，還包括安置在所述圓柱形壁內的磁鐵，其中所述圓柱形壁和所述移動件包括導電材料，因此所述圓柱形壁的移動會產生用于緩沖所述摩擦驅動系統中的振動的渦漩電流。
18.如權利要求9所述的摩擦驅動系統，還包括安置在所述圓柱形壁內的內部軸部分；其特征在于所述內部軸部分將預加載力施加在所述圓柱形壁上。
19.如權利要求9所述的摩擦驅動系統，其特征在于提供了小于10nm的定位解析度。
全文摘要
一種用在摩擦驅動系統中的可彈性變形傳動件。所述可彈性變形傳動件在其與移動件之間的接觸區域處將推力傳遞給移動件。所述可彈性變形傳動件的彈性變形，例如受到垂直于所述移動件運動方向的預加載力的作用后產生的變形，會使得所述可彈性變形傳動件和所述移動件之間的接觸區域增大。接觸區域的增大會降低所述可彈性變形傳動件和所述移動件中的應力，進而降低磨損。
文檔編號F16H55/32GK1451514SQ0310861
公開日2003年10月29日 申請日期2003年3月31日 優先權日2002年3月29日
發明者大原徹雄 申請人:松下電器產業株式會社