專利名稱：小型壓電或電致伸縮線性電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及安裝在蜂窩電話或PDA等等中以驅(qū)動其像機透鏡的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機，更具體地涉及這樣的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機，其中可移動軸30耦合到通過將壓電或電致伸縮基板附著到彈性體20(金屬)來制成的單壓電晶片(unimorph)或雙壓電晶片(bimorph)，使得裝配在可移動軸30上的可移動體40通過壓電或電致伸縮基板的振動來沿著可移動軸30線性地移動，由此簡化制造過程、而且根據(jù)基本原理易于實踐以及具有優(yōu)越特性。
背景技術(shù)：
可以安裝在蜂窩電話或PDA等等中以驅(qū)動其像機透鏡的的小型步進電機必須提供有縮減齒輪和凸輪以將高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成線性運動。另外，在常規(guī)的小型步進電機中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)時發(fā)生后沖，由此造成錯誤。因此，已經(jīng)有限地使用這樣的小型步進電機。此外，小型步進電機的問題在于要求高電流和生成過多熱。
通常，在使用壓電或電致伸縮基板來驅(qū)動線性電機的方法中，有使用由彎曲波生成的行進波的驅(qū)動方法以及使用駐波的驅(qū)動方法，其中線性電機提供有縱向振動激勵器和橫向振動激勵器二者，使得可移動單元由反復(fù)的垂直和水平振動來操作。駐波型線性電機提供有具有不同操作模式的振動器，而且使用由它們生成的多個振動。這樣的駐波型線性電機包括垂直和水平振動的壓電/電致伸縮激勵器以及將機械位移傳送到正在移動的可移動體的接觸部分。壓電振動器的縱向振動被傳送到接觸部分，可移動單元在該接觸部分處耦合到壓電振動器。可移動體由在它與可移動單元之間接合處的摩擦來操作。同時，已經(jīng)提出若干其他振動傳送方法，但是由于長時間反復(fù)移動所造成的磨損，故而難以保持恒定的振幅，所以很難付諸實用。
首先，在詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例之前，為了理解本發(fā)明，這里將在下面描述壓電效應(yīng)和振動理論，它們是應(yīng)用于本發(fā)明的基本理論。
壓電效應(yīng)意味著當(dāng)晶體接收壓力時在該晶體中生成電荷，或者相反地，當(dāng)電場施加到晶體時晶體被機械地移位。具有此類壓電效應(yīng)的壓電基板10的特征在于，機械移位是根據(jù)極化方向和電場方向來引發(fā)的。
圖1示出了根據(jù)極化方向和電場方向的壓電基板10的機械移位。
圖1(a)示出了當(dāng)電場施加到以預(yù)定方向極化的壓電基板10時壓電基板10的移位。當(dāng)壓電基板10的極化方向與電場方向相同時，壓電基板10在由參考字符z所指定的方向上擴展，而且在由參考字符x所指定的方向上以泊松比收縮。當(dāng)壓電基板10的極化方向與該電場方向相對時，壓電基板10在方向z上收縮而且在方向x上擴展。
圖1(b)示出了附著到彈性體20的壓電基板10的移位。在此情況下，壓電基板10以與對于圖1(a)的情形所述相同的方式移位，而且附著到壓電基板10的彈性體20的彎曲移位由壓電基板10的擴展和收縮所引發(fā)。
圖1(b)的點線指示了當(dāng)壓電基板10在方向z上擴展時彎曲的彈性體20的形狀。彈性體20的此類彎曲移位是通過壓電基板10的擴展而彈性體20的固定邊保持于預(yù)定位置來實現(xiàn)。
圖1(c)示出了由壓電基板10在方向x上的擴展所造成的在方向z上彎曲的彈性體20。當(dāng)電場方向瞬間改變時，處于圖1(b)的狀態(tài)中的壓電基板10的移位狀態(tài)快速地改變。結(jié)果，通過壓電基板10在方向x上的瞬間加速和擴展，彈性體20在方向z上快速地彎曲。
盡管已經(jīng)描述了在施加電場時壓電基板的彎曲移位，但是即使取代壓電基板而使用電致伸縮基板，仍然引發(fā)與壓電基板的情形相同的彎曲移位。電致伸縮意味著當(dāng)電場施加到電致伸縮體時該電致伸縮體被機械地移位。即使圖1的壓電基板為電致伸縮基板所取代，仍然引發(fā)相同的彎曲移位。
因此，在本發(fā)明中，將在這里描述一種線性電機，該線性電機使用壓電或電致伸縮基板來引發(fā)彎曲移位，而且將該彎曲移位轉(zhuǎn)換成線性移位。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明中使用的壓電或電致伸縮基板10由單晶陶瓷、多晶陶瓷或聚合材料制成。在壓電基板的情況下，該壓電基板可以在基板的厚度方向上極化。彈性體20由具有預(yù)定厚度的彈性部件制成。在本發(fā)明中，磷青銅被用作構(gòu)成彈性體20的材料。在可移動軸耦合到彈性體20的情況下，可移動軸插入其中的耦合孔可以形成在彈性體20的中心處。
如上面參考圖1所述，當(dāng)電場施加到相互附著的彈性體20和壓電或電致伸縮基板10時，彈性體20和壓電或電致伸縮基板10的彎曲振動被傳送到可移動軸。結(jié)果，可移動體40線性地移動。這里，移動可移動體40的原理是基于慣性定律。
下文將參照附圖來詳細地描述可由本領(lǐng)域技術(shù)人員容易地實施的本發(fā)明優(yōu)選實施例。
圖2圖示了裝配在可移動軸30上的可移動體40的驅(qū)動機制。圖3示出了施加到壓電或電致伸縮基板10的輸入脈沖。如圖所示，在本發(fā)明中，反復(fù)鋸齒脈沖被用作驅(qū)動脈沖。
盡管圖2中未示出，但是假設(shè)了壓電或電致伸縮基板10和彈性體20二者以與圖1中所示相同的方式耦合到圖2的可移動軸30的左端。這里將在下面解釋當(dāng)圖3中所示鋸齒脈沖波作為驅(qū)動脈沖波輸入時與可移動軸30的移動相關(guān)的可移動體40的移動。
圖2(a)和圖3的點a開始步長。可移動體40在可移動軸30上被放置于與可移動軸30的末端間隔開距離Sa的位置處。
圖2(b)以及圖3的點a與點b之間的區(qū)段在圖3的1步長中，可移動體40隨著可移動軸30一起在x軸方向上線性地移動距離A(Sa＝Sb)，該步長是鋸齒脈沖波中代表電壓增加的傾斜部分，也就是輸入從點a到點b的脈沖波時所在的區(qū)段。
圖2(c)以及圖3的點b與點c之間的區(qū)段圖3的鋸齒脈沖波電壓從點b變到點c化使得電壓變成零。這意味著施加到壓電或電致伸縮基板的電壓變成零。此時，如圖2(c)中所示，可移動軸30由于彈性體的恢復(fù)力而瞬間地左移距離2A。由于可移動軸30瞬間地左移，所以具有預(yù)定重量的可移動體40根據(jù)慣性定律留在距離Sc的位置。換句話說，只有可移動軸30左移(Sc＞Sb)。
圖2(d)以及圖3的點c與點d之間的區(qū)段可移動軸30隨著可移動體40一起在x軸方向上移動距離2A(Sc＝Sd)。
圖2(e)以及點d與點e之間的區(qū)段可移動軸30和可移動體40以與對于點b與點c之間的區(qū)段所述相同的方式來移動。
圖2(f)以及點e與點f之間的區(qū)段可移動軸30和可移動體40以與對于點c與點d之間的區(qū)段所述相同的方式來移動。
這樣，可移動體通過輸入到壓電或電致伸縮基板中的鋸齒脈沖波的驅(qū)動和通過彈性體的彈性以及根據(jù)慣性定律來移動。這樣的移位是通過反復(fù)如下過程來持續(xù)和反復(fù)地引發(fā)，在該過程中壓電或電致伸縮基板10的反復(fù)彎曲運動被傳送到可移動軸30，該基板形成單壓電晶片或雙壓電晶片結(jié)構(gòu)，也就是單基板或雙基板結(jié)構(gòu)。使用這一原理，可移動體40從可移動軸30的左端移到右端。
以相同的原理，當(dāng)圖3的鋸齒脈沖波方向改變而且由改變的脈沖所引發(fā)的移位被傳送到可移動軸30時，可移動體40的移動方向改變。因此，可移動體40能夠從可移動軸30的右端移到左端。這樣，本發(fā)明的電機是基于慣性定律。
技術(shù)方案因此，鑒于現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的上述問題而完成本發(fā)明，而且本發(fā)明的目的是提供小型壓電/電致伸縮超聲線性電機，該電機安裝在蜂窩電話或PDA等等中以驅(qū)動其像機透鏡，由施加于它的超聲脈沖電壓可逆和線性地移動，具有能通過改變施加電壓的周期來精確地控制位置的結(jié)構(gòu)，而且具有簡單結(jié)構(gòu)，由此簡化其制造過程。
有利效果在本發(fā)明中，具有上述構(gòu)造的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機使用了包括彈性體20和壓電或電致伸縮基板10兩者的單壓電晶片或雙壓電晶片的彎曲移動作為其驅(qū)動源，使得可移動體40沿著可移動軸30移動。因此，本發(fā)明提供小型壓電/電致伸縮超聲線性電機，該電機能簡化其制造過程，而且根據(jù)基本原理易于實踐，并且具有優(yōu)越特性。另外，該小型壓電/電致伸縮超聲線性電機的優(yōu)勢在于，其推力就其尺寸而言是優(yōu)越的、操作是快速的而且驅(qū)動是穩(wěn)定的。


圖1圖示了在本發(fā)明中使用的壓電或電致伸縮基板10和彈性體20二者的彎曲移動的原理；圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機的原理；圖3示出了用于驅(qū)動根據(jù)本發(fā)明的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機的鋸齒脈沖波；圖4示出了據(jù)本發(fā)明第一實施例的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機；圖5示出了據(jù)本發(fā)明第二實施例的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機；圖6是示出了據(jù)本發(fā)明第三實施例的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機的前視圖和側(cè)視圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機的可移動體40；以及圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機的可移動體40和定子的移動原理。
具體實施例方式
為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了包括壓電或電致伸縮基板10、可移動體40、可移動軸30和彈性體20的基礎(chǔ)構(gòu)造。另外，在本發(fā)明中，基于上述基礎(chǔ)構(gòu)造，提出了各類小型壓電/電致伸縮超聲線性電機，它們包括具有將在優(yōu)選實施例中解釋的三種結(jié)構(gòu)的線性電機。
圖4、圖5和圖6示出了具有上述基礎(chǔ)構(gòu)造的三種小型壓電/電致伸縮超聲線性電機。
圖4示出了包括壓電或電致伸縮基板10、彈性體20和可移動體40的本發(fā)明第一實施例。壓電或電致伸縮基板10和彈性體20的組件形成了具有盤形的單壓電晶片。彈性體20不限于具體材料，只要該材料具有預(yù)定厚度而且能高效地傳送從壓電或電致伸縮基板10到它的振動即可。在本發(fā)明的實施例中，彈性體20由磷青銅制成。在可移動軸30直接附著到彈性體的情況下，突起30可以被提供用以支持可移動軸。在具有單個壓電或電致伸縮基板10的單壓電晶片情況下，如圖4中所示，壓電或電致伸縮基板和可移動軸可以提供在彈性體的相對側(cè)上。替選地，壓電或電致伸縮基板和可移動軸二者可以提供在彈性體的相同側(cè)上。另外，當(dāng)可移動軸安裝到壓電或電致伸縮基板和可移動軸的組件中心時，引發(fā)最大移位。因此，這一情形最為有效。
如圖4中所示，可移動軸可以附著到與壓電或電致伸縮基板所附著到的彈性體表面相對的另一表面。替選地，如圖5中所示，可移動軸可以附著到壓電或電致伸縮基板所附著到的相同彈性體表面。在此情形中，壓電或電致伸縮基板附著到可移動軸所附著到的彈性體表面區(qū)域之外的彈性體表面區(qū)域。
壓電或電致伸縮基板10在厚度方向上極化。另外，具有盤形的壓電或電致伸縮基板10根據(jù)輸入的鋸齒脈沖波在從外徑到內(nèi)徑的方向上或者在從內(nèi)徑到外徑上振動，從而執(zhí)行單壓電晶片彎曲移動。
在圖4的第一實施例中，壓電或電致伸縮基板10附著到彈性體20的表面。耦合孔形成在彈性體20的相對表面上的中心處，使得可移動軸30裝配到彈性體20的耦合孔中。彈性體具有比壓電或電致伸縮基板10的外徑更大的外徑，使得彈性體由支持表面所支持。換句話說，固定邊25繞著彈性體20的四周來提供以將線性電機緊固到支持表面。固定邊用以防止線性電機由于壓電或電致伸縮基板10的振動而不合需要地移動。
可移動軸30必須比雙壓電晶片輕若干倍，該雙壓電晶片是耦合到壓電或電致伸縮基板10的彈性體20的雙重結(jié)構(gòu)?？梢苿虞S30具有能高效地傳送由壓電或電致伸縮基板生成的振動的結(jié)構(gòu)。另外，可移動軸制造成使得裝配在可移動軸上的可移動體能夠沿著可移動軸移動。在本發(fā)明中，中空軸被用作可移動軸。在壓電或電致伸縮基板10的兩個表面上提供的電極被連接到鋸齒脈沖電壓源(U)，使得驅(qū)動脈沖通過電極來輸入。
圖5示出了本發(fā)明的第二實施例，根據(jù)第二實施例的線性電機是具有兩個壓電或電致伸縮基板的雙壓電晶片。這樣的結(jié)構(gòu)能使用減小的電壓來操作，從而延長線性電機壽命。壓電或電致伸縮基板能夠在厚度方向上極化。這里，壓電或電致伸縮基板對的極化方向適當(dāng)?shù)卣{(diào)整為使得所生成的震動能達到最大值。另外，地端子連接到彈性體20，使得當(dāng)鋸齒脈沖施加到壓電或電致伸縮基板10的上和下電極時激勵線性電機。即使在第二實施例中，與可移動軸30放置在相同側(cè)的壓電或電致伸縮基板可以附著到可移動軸30所附著到的彈性體表面區(qū)域之外的彈性體表面區(qū)域。替選地，可移動軸30可以附著到壓電或電致伸縮基板而不是彈性體的外表面。
圖6示出了本發(fā)明的第三實施例。在根據(jù)第三實施例的線性電機中，彈性體和壓電或電致伸縮基板的每一個具有矩形板形而不是盤形。這一線性電機可以用在其一側(cè)長度受限之處。在這一實施例中，線性電機通過雙壓電晶片的彎曲移動來操作，該雙壓電晶片由彈性體20和壓電或電致伸縮基板10構(gòu)成而且具有矩形板形和具有尺寸a×b。第三實施例也可以制造為圖5中所示雙壓電晶片型。在這一情形中，雙壓電晶片具有與對于圖6所述相同的形狀。
這樣，壓電或電致伸縮基板和彈性體二者的形狀可以改變?yōu)槭沟脡弘?電致伸縮超聲線性電機的形狀適合于裝置。另外，它們可以以各種形狀以及圓形或矩形形狀來改變。
圖7示出了裝配在可移動軸30上的可移動體40的實例。當(dāng)輸入脈沖施加到該壓電或電致伸縮基板時，壓電或電致伸縮基板隨著彈性體一起振動。此振動被傳送到可移動軸。然后，可移動體40沿著可移動軸移動。這樣，壓電或電致伸縮基板的振動被轉(zhuǎn)換成可移動體40的線性運動。
圖7的可移動體40的結(jié)構(gòu)僅是本發(fā)明的可移動體的一個實例。因此，可移動體40不限于具體結(jié)構(gòu)，只要保持可移動軸30與可移動體40之間的預(yù)定摩擦而且可移動體40根據(jù)慣性定律具有預(yù)定重量即可。
可移動體是具有預(yù)定重量的金屬體或者物質(zhì)。此外，可移動體與可移動軸緊密接觸而且制造成使得在可移動軸與可移動體之間的接合處保持恒定摩擦。另外，可移動體是單體。
可移動體與可移動軸的外表面緊密接觸以覆蓋至少部分的可移動軸，從而保持恒定摩擦。優(yōu)選地，可移動體具有能裝配到可移動軸上的結(jié)構(gòu)。另外，可移動體必須制造成使得它可應(yīng)用于到使用摩擦力和預(yù)定重量的慣性定律。
為了達到上述意圖，如圖7中所示，本發(fā)明的可移動體40包括與可移動軸的外表面緊密接觸的摩擦部件42，從而提供恒定摩擦?？梢苿芋w40還包括重量體44，該重量體圍繞摩擦部件42的外表面來提供而且覆蓋至少部分的摩擦部件42。重量體44由預(yù)定重量的金屬制成。可移動體40還包括彈性殼46，該彈性殼裝配在重量體44的外表面上以可靠地將重量體44耦合到摩擦部件42。
參見圖7，可移動體可以包括兩個近圓柱體，每個近圓柱體具有與可移動軸接觸的摩擦部件以及金屬體，該金屬體具有預(yù)定重量而且圍繞該摩擦部件的外表面來提供。近圓柱體通過彈性彈簧的彈性來保持在可移動軸周圍。
當(dāng)可移動體40通過最佳的力來保持在可移動軸30周圍時，實現(xiàn)線性電機的優(yōu)越性能。為此，具有預(yù)定彈性的彈性彈簧46裝配在可移動體上，從而提供最佳的保持力，通過此力將可移動體40保持在可移動軸30周圍。
在本發(fā)明中，具有制動功能的非金屬部件被用作摩擦部件。該重量體是由重金屬制成。
圖8示出了裝配在線性電機和單壓電晶片或雙壓電晶片的可移動軸30上的可移動體40的移動。在此圖中，圖示了在單壓電晶片或雙壓電晶片的彎曲移動下依賴于可移動軸30的可移動軸30和可移動體40二者移動。應(yīng)當(dāng)理解可移動體40是通過單壓電晶片或雙壓電晶片的移位來移動。
權(quán)利要求
1.一種壓電/電致伸縮超聲線性電機，包括壓電或電致伸縮基板，具有在該壓電或電致伸縮基板的兩個表面的每一個上提供的電極；彈性體，該壓電或電致伸縮基板附著到該彈性體的一個表面或兩個表面的每一個；可移動軸，在其一端耦合到該彈性體或者附著到該彈性體的該壓電或電致伸縮基板，該可移動軸結(jié)合于該壓電或電致伸縮基板的移位來操作；以及沿著該可移動軸移動的可移動體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電/電致伸縮超聲線性電機，其中該壓電基板被極化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電/電致伸縮超聲線性電機，其中該可移動體與該可移動軸的外表面緊密接觸，使得該可移動體覆蓋至少部分的該可移動軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的壓電/電致伸縮超聲線性電機，其中該可移動軸具有圓形或成角細桿形狀而且高效地傳送該壓電或電致伸縮基板的振動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項的壓電/電致伸縮超聲線性電機，其中當(dāng)該可移動軸結(jié)合于該壓電或電致伸縮基板的移位來振動，而且該可移動體的慣性力大于該可移動軸與該可移動體之間的摩擦力時，該可移動體沿著該可移動軸移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項的壓電/電致伸縮超聲線性電機，其中該可移動體包括與該可移動軸的外表面緊密接觸的摩擦部件；在該摩擦部件的外表面周圍提供的重量體；以及彈性殼，裝配在該重量體的外表面上以將該摩擦部件和該重量體二者保持在該可移動軸周圍，其中該可移動體裝配在該可移動軸上。
7.一種驅(qū)動壓電/電致伸縮超聲線性電機的方法，該電機具有彈性體，至少一個壓電或電致伸縮基板附著到該彈性體；可移動軸，耦合到該彈性體或者附著到該彈性體的該壓電或電致伸縮基板；以及將沿著該可移動軸移動的可移動體，該方法包括在第一時段期間將從第一電壓變化到第二電壓的電壓施加到在該壓電或電致伸縮基板的兩個表面上提供的電極的步驟(a)；以及在該步驟(a)之后的第二時段期間將從該第二電壓變化到該第一電壓的電壓施加到在該壓電或電致伸縮基板的兩個表面上提供的電極的步驟(b)，其中當(dāng)在該步驟(a)或步驟(b)期間該可移動體的慣性力大于該可移動體與結(jié)合于該壓電或電致伸縮基板的移位來振動的該可移動軸之間的摩擦力時，該可移動體沿著該可移動軸移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的驅(qū)動壓電/電致伸縮超聲線性電機的方法，其中反復(fù)該步驟(a)和步驟(b)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的驅(qū)動壓電/電致伸縮超聲線性電機的方法，其中該第一時段長于該第二時段。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的驅(qū)動壓電/電致伸縮超聲線性電機的方法，其中該第一時段短于該第二時段。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至9任一項的驅(qū)動壓電/電致伸縮超聲線性電機的方法，其中在該第二時段中，該可移動體的慣性力大于該可移動體與該可移動軸之間的摩擦力，使得該可移動體沿著該可移動軸移動。
12.根據(jù)權(quán)利要求7、8或10任一項的驅(qū)動壓電/電致伸縮超聲線性電機的方法，其中在該第一時段中，該可移動體的慣性力大于該可移動體與該可移動軸之間的摩擦力，使得該可移動體沿著該可移動軸移動。
全文摘要
本發(fā)明提供了安裝在蜂窩電話或PDA等等中以驅(qū)動其像機透鏡的小型壓電/電致伸縮超聲線性電機。在本發(fā)明中，可移動軸(30)耦合到通過將壓電或電致伸縮基板附著到彈性體(20)(金屬)來制成的單壓電晶片或雙壓電晶片，使得裝配在可移動軸(30)上的可移動體(40)通過壓電或電致伸縮基板的振動來沿著可移動軸(30)線性地移動，由此簡化制造過程、根據(jù)基本原理易于實踐而且具有優(yōu)越特性。
文檔編號H02N2/04GK1898856SQ200580001317
公開日2007年1月17日 申請日期2005年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月2日
發(fā)明者瓦西耶?！てW特, 金潽根, 尹錫民, 尹成日 申請人:株式會社壓電技術(shù)