專利名稱：用于至少兩個轉動件并包括至少一個壓電驅動件的驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于至少兩個轉動件的驅動裝置，該裝置包括至少一個壓電驅動件。
這種裝置例如可以從德國專利DE3500607C2中獲知。該已知的驅動裝置包括一個壓電厚度諧振器，通過一個扭轉偶合器可以使該諧振器的厚度振動轉換成一個扭轉諧振器的扭轉振動。
這種構型由于該有效的壓電體積顯著地小于該待激發的扭轉諧振器的體積而具有較低的效率。在該已知的驅動裝置中，各個轉動件之間的軸向距離取決于該扭轉諧振器的尺寸。轉動方向的變更只有當電動機組相對于軸線移位的情況下才有可能。
本發明的目的在于提供另一種在本文開頭一段中所限定的類型的驅動裝置，該驅動裝置具有較高的效率并且可使轉動件的位置更加靈活。
根據本發明，上述目的可以以下述方式達到，該壓電驅動件包括一個壓電諧振器和至少兩個摩擦件，該摩擦件設置在該壓電諧振器上并且互相對置地配置，帶有摩擦件的該壓電諧振器設置在該兩個轉動件之間并且通過一個預加載力而受到限制，該摩擦件中的每個摩擦件作用在該轉動件中的一個轉動件上，以及設置用來激發該壓電諧振器的振動模式的電氣裝置。
借助于該電氣裝置可以使壓電諧振器和固定在該壓電諧振器上的摩擦件一起產生振動。振動的摩擦件周期地作用在該轉動件中的一個轉動件上，從而在轉動件與摩擦件之間產生摩擦力。該摩擦力使轉動件產生轉動。該預加載力保證了摩擦件與轉動件的可靠的接合。
在該驅動裝置中，壓電諧振器通過摩擦件直接作用在轉動件上。一臺附加的諧振器就不再需要了。因而壓電驅動件所需要的體積與在DE3500607C2的構型中相比顯著地減少。所能達到的效率也顯著地提高并且為10％的數量級。壓電諧振器最好具有矩形的外形。這樣做的結果是，壓電諧振器可以方便地適應于在轉動件之間的不同的軸向距離。這種驅動裝置在設計時具有更大的自由度。通過改變所使用的壓電驅動件的數目，幾乎可以任意地增加或減少轉動件的數目。
轉動件可以理解為指的是可轉動的零件，例如驅動軸或驅動輪。
在本發明的一個較佳的實施例中，該壓電諧振器是一個單模諧振器。該單模諧振器可以是一個延伸式諧振器或者是一個彎曲式諧振器。如果該單模諧振器采取延伸式諧振器的形式并且置于兩個轉動件之間，該延伸式諧振器的振動軸線最好相對于在該兩個轉動件之間的連接線形成一個少量傾斜的取向，以保證轉動件的穩定的轉動。于是該兩個轉動件以相同的方向轉動。
另一個辦法是，該單模諧振器可以是一個彎曲式諧振器。為了保證該兩個轉動件的穩定的轉動，該彎曲式諧振器被配置成平行于在該兩個轉動件之間的連接線并具有少量的偏置。于是該兩個轉動件由該彎曲式諧振器的對置的摩擦件沿著相反的方向驅動。
在如權利要求3所述的本發明的一個較佳實施例中，該壓電諧振器是一個雙模諧振器。該雙模諧振器的各個位置可以完成二維的圓形或橢圓形的轉動。通過使用電氣激發裝置來改變激發就能夠改變轉動的方向。這樣通過該雙模諧振器就可以以一種簡單的方式使該兩個轉動件的轉動方向反向。該雙模諧振器最好配置成在該兩個轉動件之間精確地對稱，該雙模諧振器的延伸模的軸線基本上與該兩個轉動件之間的連接線相重合。該雙模諧波器的摩擦件還可以進行橢圓或圓運動，于是每個摩擦件在轉動件上作用一個單向的摩擦力。其結果是，該兩個轉動件以相同的轉動方向轉動。
根據權利要求6，該驅動裝置最好以這樣一種方式設計，使得該兩個摩擦件能夠完成橢圓運動。橢圓運動能夠使在摩擦件與轉動件之間獲得一個特別令人滿意的摩擦力。而當該橢圓的對稱的縱向軸線相對于在兩個摩擦件之間的連接線處于傾斜狀態時，情況尤其是這樣。摩擦件運動的主方向可以通過對稱的縱向軸線進行調整。這樣就可以實現如權利要求7所述的本發明的較佳的實施例。在本發明的該實施例中，該摩擦件運動的主方向，即具有該橢圓的對稱的縱向軸線的方向的運動的方向，基本上與相關的轉動件和相關的摩擦件的材料的摩擦角相對應。因而，就可以在摩擦件與轉動件之間達到靜摩擦，從而獲得該驅動裝置的最佳效率。通過如權利要求8所述的較佳實施例，可以獲得靜摩擦的最大力。如權利要求9所述，一種具有28.8°的摩擦角的特別適當的材料是氧化鋁。
如權利要求4所述的本發明的較佳實施例可以在結構十分簡單和成本很低的情況下實現。借助于從壓電板上伸出的驅動件，該摩擦件的振動的振幅就可以達到。在該第一表面的所有四個電極中的極化方向都是相同的。最好如權利要求5中所述，該雙模諧振器的正交振動的共振頻率互相之間是如此接近，從而通過一個外加的電工作頻率就能夠產生具有滿意的振幅和所要求的相位關系的兩個正交振動。在本發明的較佳實施例中，如權利要求4所述，只有四個電極中的兩個電極加上共用地線必須與一個電子控制電路相連接。這樣做的結果是，該整個電子控制電路只需要較少的元件。
如權利要求10所述的本發明的較佳實施例和如權利要求11所述的本發明的較佳實施例都特別適合在電動剃刀中使用。如權利要求10所述的該驅動裝置具有的優點是，該三個壓電驅動件及其驅動力相對于該三個轉動件是對稱地配置的。因而該三個轉動件的轉矩也是相同的。
如權利要求11所述的驅動裝置具有的優點是，只通過兩個壓電驅動件就可以驅動該三個轉動件。因此，如權利要求10所述的驅動裝置相比節約了一個壓電驅動件。與兩個壓電驅動件都連接的該轉動件比其他兩個轉動件具有更大的轉矩。但是，這種情況對于在電動剃刀中使用來說并不是一個缺點，因為在該使用中三個轉動件只應當具有相同的轉數。在如權利要求11所述的驅動裝置中，這種情況就得到了保證。在如權利要求12所述的驅動裝置中，三個轉動件中的一個轉動件最好安裝在一個固定軸承中，而其余的兩個轉動件則分別安裝在一個浮動軸承中。固定軸承可以理解成是指固定在該驅動裝置的殼體上以使它不能運動的軸承。相反地，浮動軸承則是配置在該驅動裝置的殼體中并使它可以(例如在一個槽中)運動的軸承。這樣就使限制浮動軸承相對于壓電驅動件運動成為可能，例如可以通過配置在殼體與浮動軸承之間的彈簧，該彈簧的彈簧力通過浮動軸承傳遞到相關的壓電驅動件上。
如權利要求13所述，在一個包括兩個轉動件的構型中的軸承構造可以以類似的方式實現。
下面將參照附
圖1至7，通過實例來更詳細地介紹本發明的幾個實施例，附圖中圖1示意地表示一個用于兩個驅動軸的驅動裝置，一個雙模壓電諧振器在預加載力的作用下被夾持在該兩個驅動軸之間；圖2是示于圖1中的壓電諧振器的側視圖；圖3用簡圖示出了一個用于兩個驅動軸的驅動裝置，一個延伸式單模壓電諧振器設置在該兩個驅動軸之間；圖4示出了一個用于兩個驅動軸的驅動裝置，一個彎曲型單模壓電諧振器在預加載力的作用下被夾持在該兩個驅動軸之間；圖5示出了一個用于三個驅動軸的驅動裝置，兩個壓電諧振器中的每個諧振器在預加載力的作用下被夾持在該三個驅動軸中的兩個驅動軸之間；圖6示出了一個用于三個驅動軸的驅動裝置，三個壓電諧振器中的每個諧振器在預加載力的作用下被設置在該三個驅動軸中的兩個驅動軸之間；圖7示出了一把電動剃刀，該剃刀包括配置成一個三角形構型的三個刀具，每個刀具由一個驅動軸驅動，并且為該三個驅動軸設置了一個如圖5或圖6中所示的驅動裝置。
圖1示出了一種用于兩個轉動件的驅動裝置。該第一轉動件即是第一驅動軸1，該第二轉動件即是第二驅動軸2。第一驅動軸1和第二驅動軸2互相之間間隔一定距離。一個壓電驅動件3設置在第一驅動軸1與第二驅動軸2之間。壓電驅動件3包括一個具有第一側面4a、第二側面4b、第三側面4c和第四側面4d的矩形的雙模壓電諧振器4。該壓電諧振器具有第一電極5a、第二電極5b、第三電極5c和第四電極5d。四個電極5a、5b、5c和5d可以通過例如絲網印刷法設置在壓電諧振器4的第一主表面6上。第一電極5a和第四電極5d可以借助于第一焊線7互相電連接，第二電極5b和第三電極5c可以借助于第二焊線8互相電連接。第一電極5a和第二電極5b與電控制裝置9相連接，該裝置可以產生用來在壓電諧振器中引起振動的電信號。第一驅動件10與第三側面4c例如可以通過粘結結合在中央相電連接。第二驅動件11與第四側面4d例如可以通過粘結結合在中央相電連接。第一驅動件10和第二驅動件11最好用氧化鋁制成。
圖2示出了壓電諧振器4的側視圖。該壓電諧振器4包括一個具有第一主表面6和第二主表面13的壓電體12。第二主表面13上整個由地線5e所覆蓋。該地線5e以一種未示出的方式也連接在控制裝置9上。在第一主表面6上的四個電極5a、5b、5c和5d中，壓電體12的極化方向是相同的。在圖2中用兩個箭頭14來表示該極化方向。
如圖1中所示，具有第一驅動件10和第二驅動件11連接于其上的壓電諧振器4在預加載力F的作用下被夾持在第一驅動軸1與第二驅動軸2之間。由于預加載力F作用的結果，使第一驅動件10壓緊在第一驅動軸1上和使第二驅動件11壓緊在第二驅動軸2上。該第一驅動軸1和第二驅動軸2都鍍有一層氧化鋁。通過控制裝置4把電信號作用于第一電極5a和地線5e，就可以使壓電諧振器4產生一個雙模振動。該預加載力F、壓電諧振器4的外形尺寸以及在第一驅動件10與第一驅動軸1之間和在第二驅動件11與第二驅動軸2之間的摩擦系數的大小應以這樣一種方式來確定，使得壓電諧振器4、第一驅動件10和第二驅動件11能夠完成一個橢圓形的轉動。然后第一驅動件10和第二驅動件11就分別在第一驅動軸1和第二驅動軸2上作用摩擦力，從而使第一驅動軸1和第二驅動軸2轉動。由于第一驅動件10和第二驅動件11的橢圓形的轉動的轉動方向是相同的，因此第一驅動軸1和第二驅動軸2就由該振動壓電諧振器4以相同的轉動方向驅動。在圖1中示出了第一轉動方向15。
通過從第一控制裝置9向第二電極5b和地線5e提供控制信號，壓電諧振器4還可以產生一個其方向與在圖1中顯示的振動模式相反的橢圓形振動模式。因此，示于圖1的該構型還可以使驅動軸以與第一轉動方向15相反的方向轉動。因而，只要改變從控制裝置9產生的該控制信號，就可以實現第一驅動軸1和第二驅動軸2的轉動方向的反向。
氧化鋁的摩擦角為28.8°。因此，預載力F和壓電諧振器4的外形尺寸的大小應以這樣一種方式來確定，使得在該橢圓形轉動期間，第一驅動件10和第二驅動件11分別地基本上以28.8°的角度與第一驅動軸1和第二驅動軸2相接觸。因而第一驅動件10和第二驅動件11的接觸角基本上與該摩擦角相一致。在最佳控制電壓的情況下，靜摩擦將發生在第一驅動件10與第一驅動軸1和第二驅動件11與第二驅動軸2之間，從而導致產生一個最佳速度。這種情況可以保證該驅動裝置具有良好的效率。
第一驅動軸1和第二驅動軸2的轉矩和速度可以通過由第一控制裝置9所提供的電壓的振幅和通過預加載力F來進行改變或者調整。
壓電諧振器4的電驅動的精確的結構和各種可能性在歐洲專利EP633616A2中均有說明，其內容通過引用結合在本申請中。
圖3示出了一個包括第一驅動軸20和第二驅動軸21的驅動裝置。一個單模壓電諧振器22設置在第一驅動軸20與第二驅動軸21之間。該壓電諧振器22為矩形產且在其頂面上有一個第一電極23和在其后面上有一個地線(未示出)。第一延伸式電極23具有一個可以激發延伸振動的形狀。該壓電諧振器22制造成一個延伸式諧振器。該壓電諧振器22在其端面24a上有一個第一驅動件25并且在其對置的端面24b上有一個第二驅動件26。第一驅動件25和第二驅動件26通過粘結結合被固定在壓電諧振器22上。該壓電諧振器22通過一個電控制裝置(未示出)而致動，以便在用雙箭頭表示的方向上產生延伸振動。該壓電諧振器22的對稱的縱向軸線28相對于連接第一驅動軸20和第二驅動軸21的中心20a和21a的連接線29傾斜一個角度α。裝有第一驅動件25和第二驅動件26的壓電諧振器22通過一個預加載力F被夾持在第一驅動軸20與第二驅動軸21之間。在該振動模式下，第一驅動件25和第二驅動件26沿著由雙箭頭27所表示的方向對第一驅動軸20和第二驅動軸21作用很小的推動力就可以以相同的轉動方向30驅動該兩軸。
圖4示出了一個包括第一驅動軸31和第二驅動軸32的驅動裝置。該第一軸31具有中心31a以及該第二軸具有中心32a。一個矩形的壓電諧振器33設置在第一驅動軸31與第二驅動軸32之間。壓電諧振器33在其頂面上有一個第一電極35并且在其下表面上有一個地線(未示出)。第一電極35具有一個可以激發彎曲振動的形狀。壓電諧振器可以通過一個電控制裝置(未示出)而致動，以便在用雙箭頭表示的方向上產生彎曲振動。壓電諧振器33在其端面33a上有一個第一驅動件37以及在其端面33b上有一個第二驅動件38。壓電諧振器33的對稱的縱向軸線39相對于在第一驅動軸31的中心31a與第二驅動軸32的中心32a之間的連接線40平行地偏置。
在該振動模式下，與第一驅動件37和第二驅動件38在一起的壓電諧振器33沿著用雙箭頭35表示的方向振動，其結果使第一驅動件37對第一驅動軸31作用很小的推動力以及使第二驅動件38對第二驅動軸32作用很小的推動力。這種情況將使第一驅動軸31沿著第一轉動方向41轉動并且使第二驅動軸32沿著相反的轉動方向42轉動。
一個預加載力F沿著由箭頭43所表示的方向推動壓電諧振器33靠緊在第一驅動軸31和第二驅動軸32上。
圖5示出了一個包括配置成三角形構型的第一驅動軸45、第二驅動軸46和第三驅動軸47的驅動裝置。第一壓電諧振器48設置在第一驅動軸45與第三驅動軸47之間，以及第二壓電諧振器49設置在第二驅動軸46與第三驅動軸47之間。第一壓電諧振器48和第二壓電諧振器49都是一種如同參照圖1所說明的結構那樣的雙模壓電諧振器。第一驅動軸45安裝在第一浮動軸承50中，第二驅動軸46安裝在第二浮動軸承51中以及第三驅動軸47安裝在固定軸承52中。第一浮動軸承50可以在槽53中移動并且在過一個彈簧54將它推向第一壓電諧振器48。該槽53在該驅動裝置的一個殼體(未示出)中形成。第二浮動軸承51可以在槽55中移動并且通過一個彈簧56將它推向第二壓電諧振器49。固定軸承52被牢固地固定在該殼體(未示出)上。第一壓電諧振器48包括一個與第一驅動軸45相嚙合的第一驅動件48a以及一個與第三驅動軸47相嚙合的第二驅動件48b。第二壓電諧振器49包括一個與第二驅動軸46相嚙合的第一驅動件49a以及一個與第三驅動軸47相嚙合的第二驅動件49b。
因此，第一驅動軸45通過彈簧54的彈簧力而被彈性地壓緊在第一壓電諧振器48上，其結果使第一壓電諧振器48被彈性地夾持在第一驅動軸45與第三驅動軸47之間。同樣，第二壓電諧振器49通過彈簧56被彈性地夾持在第二驅動軸46與第三驅動軸47之間。
第一壓電諧振器48和第二壓電諧振器49可以由一個控制裝置(未示出)激發以產生橢圓形振動，其結果使驅動件48a、48b、49a和49b在第一驅動軸45、第二驅動軸46和第三驅動軸47上作用一個摩擦力。三個驅動軸45、46和47的轉動方向相同并且可以通過參照圖1所說明的該控制裝置(圖5中未示出)而反向。
三個驅動軸45、46和47的轉速基本上相等。由于第三驅動軸47與第一壓電諧振器48和第二壓電諧振器49都互相接合，因此第三驅動軸47的有效轉矩大于第一驅動軸45和第二驅動軸46的有效轉矩。
圖6示出了一個驅動裝置，該裝置包括配置成一個三角形構型的第一驅動軸60、第二驅動軸61和第三驅動軸62。第一驅動軸60安裝在浮動軸承63中，第二驅動軸61安裝在浮動軸承64中，以及第三驅動軸62安裝在浮動軸承65中。第一壓電諧振器66設置在第一驅動軸60與第二驅動軸61之間。第二壓電諧振器67設置在第一驅動軸60與第三驅動軸62之間。第三壓電諧振器68設置在第二驅動軸61與第三驅動軸62之間。第一壓電諧振器66、第二壓電諧振器67和第三壓電諧振器68各自的結構與參照圖1所說明的那種結構相同。浮動軸承63通過一個彈簧69而被壓緊在一個殼體(未示出)上。浮動軸承64通過一個彈簧70而被壓緊在一個殼體(未示出)上，以及浮動軸承65通過一個彈簧71而被壓緊在一個殼體(未示出)上。因此，第一壓電諧振器66被彈性地夾持在第一驅動軸60與第二驅動軸61之間，第二壓電諧振器67被彈性地夾持在第一驅動軸60與第三驅動軸62之間，以及第三壓電諧振器68被彈性地夾持在第二驅動軸61與第三驅動軸62之間。該三個壓電諧振器66、67和68可以通過一個控制裝置(未示出)來激發以產生橢圓形振動，從而可使第一驅動軸60、第二驅動軸61和第三驅動軸62都在同樣的轉動方向受到驅動。簡單地通過該電控制裝置就可以實現方向的變更。由于在圖6中示出的該驅動裝置是完全對稱的構型，三個驅動軸60、61和62的有效轉矩和轉數都是相同的。
圖7示出了一個具有第一剃須頭73、第二剃須頭74和第三剃須頭75的電動剃刀72。該第一剃須頭73、第二剃須頭74和第三剃須頭75都可以通過一個示于圖5中的驅動裝置或者一個示于圖6中的驅動裝置進行驅動。
權利要求
1．一種用于至少兩個轉動件的驅動裝置，該裝置包括至少一個壓電驅動件，其特征在于，該壓電驅動件包括一個壓電諧振器和至少兩個摩擦件，該摩擦件設置在該壓電諧振器上并且互相對置地配置，帶有該摩擦件的該壓電諧振器設置在該兩個轉動件之間并且通過一個預加載力而受到限制，該摩擦件中的每個摩擦件作用在該其中之一的轉動件上，以及設置激發該壓電諧振器的振動模式的電氣裝置。
2．如權利要求1所述的驅動裝置，其特征在于，該壓電諧振器是一個單模諧振器。
3．如權利要求1所述的驅動裝置，其特征在于，該壓電諧振器是一個雙模諧振器。
4．如權利要求3所述的驅動裝置，其特征在于，該壓電驅動件包括一個具有第一主表面和第二主表面的堅固的壓電板，該第一主表面裝有至少四個電極以及該第二主表面裝有至少一個電極，在該第一主表面的每個象限中設置有一個電極，以及該摩擦件被制成從該壓電板伸出的驅動件。
5．如權利要求3所述的驅動裝置，其特征在于，該壓電諧振器的外形尺寸應以這樣方式選定，使得該壓電諧振器的兩個諧振頻率是如此相互接近以致當激發一個諧振頻率時，另一個諧振頻率也同樣被激發。
6．如權利要求3所述的驅動裝置，其特征在于，該預加載力、該壓電諧振器的外形尺寸以及在該摩擦件與該轉動件之間的該摩擦系數的大小應以這樣方式確定，使得該兩個摩擦件能夠完成基本上為橢圓形的轉動，該橢圓的對稱的縱向軸線相對于在該兩個轉動件之間的連接線是傾斜的。
7．如權利要求6所述的驅動裝置，其特征在于，該預加載力，該壓電諧振器的外形尺寸以及在該摩擦件與轉動件之間的摩擦系數的大小應以這樣方式確定，摩擦件的主運動方向基本對應于摩擦件和轉動件的摩擦角。
8．如權利要求1所述的驅動裝置，其特征在于，該轉動件和該摩擦件的材料應以這樣一種方式選定，使得該摩擦角的范圍在15°與35°之間。
9．如權利要求1所述的驅動裝置，其特征在于，該摩擦件和/或該轉動件的該表面由氧化鋁構成。
10．如權利要求1所述的驅動裝置，其特征在于，設置三個配置成三角形構型的轉動件以及設置了三個壓電驅動件，該驅動件分別配置在該三個轉動件中的兩個轉動件之間并且受到一個預加載力的限制。
11．如權利要求1所述的驅動裝置，其特征在于，設置三個配置成三角形構型的轉動件以及設置了兩個壓電驅動件，該驅動件分別配置在該三個轉動件中的兩個轉動件之間并且受到一個預加載力的限制。
12．如權利要求11所述的驅動裝置，其特征在于，該三個轉動件中的一個轉動件安裝在一個固定軸承中，該其余的兩個轉動件則分別安裝在一個浮動軸承中，該兩個壓電驅動件分別配置在安裝于該固定軸承中的該轉動件與安裝于該浮動軸承中的其中之一的該轉動件之間，以及該浮動軸承對該對應的壓電驅動件通過一個預加載力進行預加載。
13．如權利要求1所述的驅動裝置，其特征在于，一個轉動件安裝在一個固定軸承中以及該另一個轉動件安裝在一個浮動軸承中，該浮動軸承對該壓電驅動件通過一個預加載力進行預加載。
14．如權利要求4所述的驅動裝置，其特征在于，該壓電板的該長寬比的范圍在1.3與1.4之間。
15．一種包括一個如權利要求1所述的驅動裝置的電動剃刀。
16．一種包括一個如權利要求1所述的驅動裝置的家用電器。
全文摘要
本發明涉及用于至少兩個轉動件的驅動裝置,它包括至少一個壓電驅動件。本發明目的在于提供更高效率和使轉動件位置更靈活的驅動裝置。本發明的特征在于,該壓電驅動件包括壓電諧振器和至少兩個摩擦件,摩擦件設在該壓電諧振器上并且互相對置,帶該摩擦件的壓電諧振器設在兩個轉動件之間并且通過預加載力而受到限制,該摩擦件分別作用在其中之一的轉動件上,和設置激發壓電諧振器的振動模式的電氣裝置。
文檔編號H02N2/12GK1225296SQ9812543
公開日1999年8月11日 申請日期1998年12月18日 優先權日1997年12月20日
發明者G·蒂芬巴赫, C·賴欣格, M·溫德特 申請人:皇家菲利浦電子有限公司