[发明专利]基于螺杆的纳米线性运动控制机构

说明书

线性运动控制机构包括安装成绕轴线(z)旋转的转子(1)。转子(1)具有第一螺纹部分(3)和第二螺纹部分(6)，该第一螺纹部分(3)和第二螺纹部分(6)由放置成与由振荡器(21)激励的定子(19)接触的中心部分(4)隔开。框架(10)限定与转子(1)的第一螺纹部分(3)配合的第一螺纹部分(12)。转子(1)的第二螺纹部分(6)与输出轴(13)配合。转子(1)相对于框架(10)的旋转导致输出轴(13)沿轴线(z)移动。振荡器(21)包括由角度致动器(33)激励的振荡块(32)，该角度致动器由围绕星形支撑件(38)布置的压电致动器(42)形成。振荡器(21)装配在呈钟形的转子(1)的内部，并且包括多个受应力扇区(23a)。

技术领域

本发明涉及一种线性定位机构。

背景技术

电动机驱动的螺杆用于生产线性长行程定位致动器，以提供固定在适当位置，例如在光学器件中执行聚焦功能。

例如，在文献US2003010146A中描述了具有电动机驱动的螺杆的机电致动器的最普通的概念。机电致动器包括齿轮电动机，该电动机使螺杆旋转，该螺杆驱动螺母形式的部件平移，被引导的移动部件固定在后者上。螺杆相对于螺母的旋转导致螺母的平移运动。

这种配置存在一些缺点。齿轮电动机是繁琐的部件。这导致机电致动器通常沿着致动轴线在横向上非常大和/或非常长。另外，由于齿轮电动机的间隙，限制了分辨率和定位精度。

为了提高电动机驱动的螺杆类型的机电致动器的紧凑性和精度，一种解决方案是通过直接驱动压电电动机来驱动螺杆。在文献US2012314269中，电动机是配备有压电振动定子的超声波电动机，该压电振动定子通过摩擦来驱动包括螺母的转子，该转子的旋转使螺杆旋转，从而产生螺母的线性向前和向后运动。螺母的旋转因此驱动支撑待定位负载的螺杆。待定位的负载通过螺杆的端部通过弹簧与螺杆的端部按压接触而被驱动。

这种配置的缺点之一是，尽管有弹簧，但负载并未固定在驱动它的螺杆上。在大的振动或冲击的情况下，负载可能至少部分地与驱动螺杆分离。这些冲击通常在车载应用中遇到，例如在航空或航天应用中。分离会导致脱离，从而在负载和螺杆之间产生局部冲击。这些局部冲击会损坏按压接触区域并导致产生颗粒。然后，机电致动器的加速磨损会导致表面质量损失，这对于高精度定位非常不利。磨损颗粒会滞留在螺纹中，这也不利于进行高精度定位。同样明显的是，文献US2012314269中提出的构造不适合于支撑高的外部应力。负载和框架之间的力链通过轴承传递，轴承是机构中的薄弱环节。

此外，通过滑动粘附型的操作，经由被电激励并使其以振动方式振荡的压电定子，通过摩擦来驱动旋转螺杆的转子在其圆柱表面上。定子的每次振荡通常会切向驱动转子的圆柱表面10微米。半径R等于16mm的转子的完整旋转以约10000次振荡执行，并且导致螺杆前进一步，即通常为1mm。因此，该机构的线性分辨率为100nm。

从理论上讲，可以使用更细的螺纹来改善线性分辨率。但是，更细的螺纹在机械上也不太能抵抗车载应用中遇到的振动和冲击，并且与高力的传递不兼容。

为了进一步减小机电致动器的尺寸，一种解决方案在于借助于压电驱动器执行直接的螺杆驱动。在文献JPH08251950中提出了这样的解决方案，根据惯性电动机的原理，借助于通过非对称锯齿型信号激励的压电定子，通过摩擦尤其是通过在转子螺纹高度上的滑动粘附来旋转驱动螺杆。压电惯性电动机的原理例如在T.Higuchi的文献EP0292989中描述。在文献JPH08251950中，也可以通过简单地放置与螺杆端部的接触来驱动待定位的负载。设有螺纹的两个夹爪彼此相对移动，从而导致保持在两个夹爪之间的螺杆移动。

此方法的缺点与以前的配置相同。负载相对于能够旋转和平移的螺杆移动，因此在冲击或剧烈振动的情况下，负载可能会从驱动螺杆上脱离，这在车载应用中是不可接受的。还显而易见的是，在文献JPH08251950中存在的配置不能承受高的外部应力，因为负载和框架之间的力链会通过压电定子传递。然而，当压电材料承受拉应力时，其极限值确实非常低。