專利名稱：聲表面波馬達的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲表面波(surface acoustic wave)馬達，更具體地，涉及一種能量恢復(fù)型聲表面波馬達。

背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，公知的是超聲波馬達可用作制動器。其中一種超聲波馬達是使用聲表面波(SAW)的馬達，即聲表面波馬達。例如，所述聲表面波是基于在彈性體的表面中產(chǎn)生的橢圓運動并在彈性體的表面上傳播的振蕩波(Rayleigh波)。馬達的驅(qū)動力是基于該橢圓運動所輸出的摩擦力。預(yù)期將聲表面波馬達用作具有高速、高響應(yīng)和高推力的優(yōu)良可操作特性的小尺寸馬達。例如，作為聲表面波馬達的特性可實現(xiàn)1m/sec的運行速度。此外，已經(jīng)證實，聲表面波馬達可產(chǎn)生出等于或大于其自身重力的推力。
例如，聲表面波馬達包括聲表面波基底，用作定子；叉指電極(IDT叉指換能器)，用于在其表面產(chǎn)生聲表面波；滑動器，位于聲表面波基底上，用于運動；壓力施加裝置，用于以預(yù)定壓力使得滑動器與聲表面波基底接觸，以獲得摩擦力(參照例如日本特開專利公布Hei 09-233865)。
此外，對于公知的能量恢復(fù)型聲表面波馬達，為了在聲表面波馬達中產(chǎn)生聲表面波，使用在聲表面波基底的一端配置的叉指電極來提供能量，同時在另一端恢復(fù)未用于驅(qū)動的聲表面波能量，以進行再利用(參照例如日本特開專利公布Hei 11-146665)。
參照圖25A和圖25B，描述傳統(tǒng)的能量恢復(fù)型聲表面波馬達。這種聲表面波馬達是線性馬達，其包括聲表面波基底2，用作定子；和滑動器3，在表面S上被驅(qū)動，用于線性運動。在聲表面波基底2的表面S上配置有能量補充叉指電極4(包括叉指電極4a和4b)和一對叉指電極5，其中所述一對叉指電極5彼此相距一定距離并將叉指電極4夾在它們之間。
聲表面波基底2由具有大約1mm厚度的壓電材料形成。通過將薄膜導(dǎo)體圖案化為彼此嚙合的梳齒狀來形成叉指電極4和5。叉指電極5恢復(fù)聲表面波的能量，并同時提供能量以產(chǎn)生聲表面波?；瑒悠?位于在叉指電極4和叉指電極5之間配置的移動部21中。通過從壓力施加裝置30施加壓力N將滑動器3按壓在表面S上。
在上述狀態(tài)下，當(dāng)從外部電源V1(其具有v1＝v0·cosωt)向叉指電極4b以及從外部電源V2(其具有v2＝v0·sinωt)向叉指電極4a施加預(yù)定頻率ω的高頻(MHz范圍)電壓時，叉指電極4a和4b將電能轉(zhuǎn)換為波的機械能，從而生成圖中向表面S右側(cè)行進的聲表面波W。應(yīng)注意的是，在表面S上基于聲表面波W的橢圓運動的點的運動方向與聲表面波W的行進方向相反。由向右行進的聲表面波W的橢圓運動產(chǎn)生的摩擦力作用于滑動器3，從而以與聲表面波W的行進方向相反的方向(圖中向左)驅(qū)動滑動器3。聲表面波W傳向滑動器的右邊，同時損失能量以驅(qū)動滑動器3，并變?yōu)槔^續(xù)向右行進的聲表面波w。
右側(cè)的叉指電極5接收來自聲表面波w的機械能，并將其轉(zhuǎn)換為電能，即執(zhí)行所謂的機械能向電能轉(zhuǎn)換。作為電能恢復(fù)的能量被發(fā)送至通過布線7電連接的左側(cè)的叉指電極5。左側(cè)的叉指電極5執(zhí)行電能機械轉(zhuǎn)換，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，以向表面S提供能量，從而有助于聲表面波W的生成。這種聲表面波馬達使用一對叉指電極5來使得能量循環(huán)(恢復(fù)和提供能量)，并使用叉指電極4來補償能量消耗，從而使在這種情況下運行所使用的能量小于不使用叉指電極5時的情況。
然而，在上述圖25A和圖25B以及日本特開專利公布Hei 11-146665中公開的能量恢復(fù)型聲表面波馬達存在以下問題。將參照圖26和圖27A至圖30B來描述。圖26示出滑動器3的與表面S接觸的部分的放大圖，在該圖中放大示出在表面S上生成的聲表面波W、w1和w2的振幅。在滑動器3的與聲表面波基底2的表面S接觸的部分中，生成發(fā)生相位改變的聲表面波w2，即從原始聲表面波W改變相位差ΔX。
因此，已經(jīng)經(jīng)過滑動器3的聲表面波w包含具有相位改變的聲表面波w2和與聲表面波W同相的聲表面波w1。為此，到達右側(cè)叉指電極5的聲表面波w沿著與其行進方向垂直的寬度方向發(fā)生相位改變，從而當(dāng)叉指電極5將機械能轉(zhuǎn)換為電能時，這些波彼此部分地消除，所以產(chǎn)生能量損失。在表面S上以聲表面波w1和聲表面波w2的混合狀態(tài)生成聲表面波w的原因是滑動器的寬度f小于由圖25A中所示的叉指電極4和5形成的聲表面波的寬度g。
進一步描述由于存在上述聲表面波w2而導(dǎo)致的能量損失的產(chǎn)生。首先，將描述能量恢復(fù)效率。當(dāng)聲表面波w1和w2沒有相位差時，由圖27A和圖27B表示出各波w1和w2的能量e1＝e(w1)和e2＝e(w2)，以及從總波w恢復(fù)的波的能量e＝e(w)。這里，e(x)表示用以計算波能量的運算。同樣地，當(dāng)聲表面波w1和w2存在相位差時，由圖28A和圖28B表示出各波w1和w2的能量e1和e2，以及從總波w恢復(fù)的波的能量eα＝e(w)。
如果如后一種情況，即聲表面波w存在相位差，則在對應(yīng)于圖26中的相位差ΔX的能量e1和e2之間生成相位差Δt1。由于所述相位差Δt1的影響，能量eα小于能量e(eα＜e)，從而使能量恢復(fù)效率較低。此外，盡管能量e的相位與從叉指電極4提供的補充能量的相位同相，在能量eα中也產(chǎn)生相位差Δt2。
接下來，將描述能量提供效率。如果從叉指電極4提供的補充能量E0與從左側(cè)的叉指電極5提供的循環(huán)能量e同相，則由圖29A和圖29B表示出能量E0和e和由所述能量E0和e生成的波W的能量E1＝e(W(E0+e))。這里，W(x)表示用以生成波的運算。同樣，當(dāng)存在上述相位差Δt2時，由圖30A和圖30B表示出補充能量E0、具有相位差Δt2的循環(huán)能量eα和由于所述能量E0和eα的提供所生成的波W的能量Eβ＝e(W(E0+eα))。
如果補充能量E0與循環(huán)能量e同相，則它們之間不會彼此產(chǎn)生負作用。然而，如果不是同相，則能量Eβ小于能量E1(Eα＜E1)(原文如此，但正確的應(yīng)該是Eβ＜E1)，從而使能量提供效率較低。此外，還會出現(xiàn)能量Eβ的相位與能量E1具有相位差Δt3的情況。
如上所述，由于滑動器3與聲表面波基底2的表面S接觸而產(chǎn)生的相位差ΔX，導(dǎo)致會出現(xiàn)由聲表面波W生成的循環(huán)能量eα和能量Eβ降低的情況，并且相位差Δt1、Δt2和Δt3的存在導(dǎo)致能量損失和驅(qū)動特性降低。此外，不僅僅由于滑動器3與表面S接觸可產(chǎn)生這些相位差，而且由于例如周圍環(huán)境改變(這種周圍環(huán)境改變可導(dǎo)致聲表面波基底2的特性發(fā)生改變，以及使得在表面S上配置的叉指電極圖案與設(shè)計值存在偏差)也可以產(chǎn)生這些相位差。因此，傳統(tǒng)的聲表面波馬達對于降低用以驅(qū)動滑動器3的功率方面仍舊存在一定限制。
本發(fā)明旨在解決上述問題，并且本發(fā)明的目的在于提供一種能量恢復(fù)型聲表面波馬達，其可以在能量恢復(fù)和能量提供時調(diào)節(jié)相位的改變，以實現(xiàn)能量效率的提高。


發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的聲表面波馬達包括聲表面波基底；滑動器，設(shè)置為在被施加壓力時與所述聲表面波基底的表面接觸；一個或多個驅(qū)動叉指電極，配置在所述聲表面波基底的表面上，并連接至外部電源，用以在所述聲表面波基底中生成驅(qū)動聲表面波，以通過摩擦力來驅(qū)動所述滑動器，其中基于所述聲表面波和施加至所述滑動器的壓力在所述滑動器的與所述聲表面波基底接觸的接觸表面上生成所述摩擦力；和恢復(fù)叉指電極，設(shè)置在所述聲表面波基底的表面上且位于所述聲表面波的行進方向的前方和后方，用于恢復(fù)所述聲表面波中未用于驅(qū)動所述滑動器的聲表面波的能量，以及用于使用所恢復(fù)的能量生成聲表面波，其中，所述聲表面波馬達還包括相位調(diào)節(jié)裝置，用于使得由所述恢復(fù)叉指電極生成的聲表面波的相位與由所述驅(qū)動叉指電極生成的驅(qū)動聲表面波的相位匹配。
這種配置包括相位調(diào)節(jié)裝置，用于使得由所述恢復(fù)叉指電極生成的聲表面波的相位與由所述驅(qū)動叉指電極生成的驅(qū)動聲表面波的相位匹配，從而可基于同相排列的驅(qū)動聲表面波以高能量效率驅(qū)動聲表面波馬達。根據(jù)本發(fā)明的通過相位調(diào)節(jié)裝置的相位調(diào)節(jié)可以在任一階段進行，例如在由恢復(fù)叉指電極對聲表面波的能量進行恢復(fù)之前的階段、或在恢復(fù)能量的循環(huán)期間、或通過向恢復(fù)叉指電極提供能量而產(chǎn)生聲表面波的階段等。
當(dāng)在恢復(fù)之前進行相位調(diào)節(jié)時，可有效恢復(fù)聲表面波的能量。此外，當(dāng)在恢復(fù)之后和提供階段進行相位調(diào)節(jié)時，能夠以高能量效率生成驅(qū)動聲表面波，即有效用于滑動器的驅(qū)動聲表面波。因此，本發(fā)明的能量恢復(fù)型聲表面波馬達可通過使用相位調(diào)節(jié)裝置在能量恢復(fù)和提供時調(diào)節(jié)相位改變，以使得聲表面波的相位匹配。因此，能夠避免造成能量效率低的不同相位的聲表面波之間的干擾，從而實現(xiàn)能量效率的增加。
根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達具有至少一對恢復(fù)叉指電極，其中一個恢復(fù)叉指電極用于將所述聲表面波的機械能轉(zhuǎn)換為電能，并對電能進行恢復(fù)；另一個恢復(fù)叉指電極用于將所恢復(fù)的電能轉(zhuǎn)換為用以生成驅(qū)動聲表面波的機械能。
這種配置以電能的形式恢復(fù)和循環(huán)能量，從而可通過電子電路進行相位調(diào)節(jié)，便于通過相位調(diào)節(jié)裝置進行相位調(diào)節(jié)。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，相位調(diào)節(jié)裝置由連接在所述一對恢復(fù)叉指電極之間的電子電路構(gòu)成。
這種配置使得通過使用電子電路以電能的形式進行相位調(diào)節(jié)，從而容易根據(jù)需要進行相位調(diào)節(jié)，也容易適合于滑動器的尺寸改變和適合于機械調(diào)節(jié)的精確調(diào)節(jié)。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，基于所述聲表面波基底的一區(qū)域的長度設(shè)置所述相位調(diào)節(jié)裝置，該區(qū)域位于所述恢復(fù)叉指電極其中之一和所述驅(qū)動叉指電極其中之一之間并且所述滑動器在該區(qū)域中移動，其中該長度被設(shè)置為在沒配置所述滑動器的情況下生成的共振態(tài)的聲表面波的長度加上與由于在該區(qū)域中配置所述滑動器而在所述共振態(tài)的聲表面波中產(chǎn)生的相位改變量對應(yīng)的長度的總長度。
根據(jù)這種配置，通過將與由于配置滑動器而在聲表面波中產(chǎn)生的相位改變對應(yīng)的距離與移動部分的長度初步相加來形成相位調(diào)節(jié)裝置。因此，通過設(shè)計位于聲表面波基底上的叉指電極的圖案，能夠容易地實現(xiàn)能量效率的增加。這里，共振態(tài)的聲表面波的生成等同于具有由聲表面波的生成端和恢復(fù)端之間的邊界滿足的周期性邊界條件的聲表面波的生成。
根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達具有至少一對恢復(fù)叉指電極，其中一個恢復(fù)叉指電極用于反射所述聲表面波并使其返回至所述驅(qū)動叉指電極，以恢復(fù)所述聲表面波的能量；另一個恢復(fù)叉指電極用于再次反射所返回的聲表面波，以生成驅(qū)動聲表面波。
這種配置能夠在聲表面波基底中形成用以恢復(fù)和提供聲表面波的能量的裝置。這使得利用聲表面波基底的表面機械地恢復(fù)和循環(huán)能量，從而不必使用電子電路。例如，可通過將用于阻抗改變的無源元件連接至恢復(fù)叉指電極來進行由相位調(diào)節(jié)裝置執(zhí)行的相位調(diào)節(jié)。在本發(fā)明的聲表面波馬達中，多次反射波中的波和導(dǎo)向至同一方向作為驅(qū)動聲表面波的波彼此匹配，以使得這些波的能量高于導(dǎo)向至相反方向的波的能量，從而驅(qū)動滑動器。由此，可通過調(diào)節(jié)反射率來改變滑動器的移動速度。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，用作用于驅(qū)動的叉指電極的恢復(fù)叉指電極共同用作驅(qū)動叉指電極。
這種配置能夠簡化叉指電極的結(jié)構(gòu)，并降低聲表面波馬達的尺寸。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，基于一對恢復(fù)叉指電極的等效反射表面之間的長度設(shè)置所述相位調(diào)節(jié)裝置，其中該長度基本等于由所述恢復(fù)叉指電極生成的聲表面波的半波長的整數(shù)倍。
這種配置能夠在聲表面波被反射兩次以再次變?yōu)轵?qū)動聲表面波時自動進行相位調(diào)節(jié)。此外，利用等效反射表面之間的長度設(shè)置恢復(fù)叉指電極之間的距離，其中所述叉指電極由多個梳齒形單元電極構(gòu)成，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對整個叉指電極的最佳條件的設(shè)置。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，所述相位調(diào)節(jié)裝置由連接至位于驅(qū)動聲表面波的行進方向前方的恢復(fù)叉指電極的電子電路構(gòu)成，其中設(shè)置所述電子電路的阻抗，以調(diào)節(jié)通過該叉指電極反射的反射波的相位。
這種配置便于相位調(diào)節(jié)。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，通過以下方式的至少其中之一調(diào)節(jié)由所述恢復(fù)叉指電極反射的反射波的反射率，所述方式包括調(diào)節(jié)該叉指電極的單元電極之間的距離；調(diào)節(jié)該叉指電極的單元電極的個數(shù)；和調(diào)節(jié)施加至該滑動器的壓力的大小。
這種配置通過調(diào)節(jié)反射率能夠容易地控制滑動器的移動?；谠O(shè)計可在聲表面波基底中形成單元電極之間的距離和單元電極的個數(shù)。此外，當(dāng)驅(qū)動聲表面波馬達時，可根據(jù)需要基于施加壓力的調(diào)節(jié)進行反射率的調(diào)節(jié)。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，所述恢復(fù)叉指電極連接有用以設(shè)置阻抗的電子電路，來調(diào)節(jié)由該叉指電極反射的反射波的反射率。
這種配置能夠在驅(qū)動聲表面波馬達的同時或之前根據(jù)需要容易地調(diào)節(jié)反射率。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，所述驅(qū)動叉指電極配置在所述聲表面波基底的表面上且位于所述聲表面波的行進方向的前方和后方，其中所述聲表面波馬達包括用以選擇性地將外部電源連接至任一驅(qū)動叉指電極的開關(guān)；和用以將電子電路連接至所述一對恢復(fù)叉指電極中的任一個的開關(guān)，從而可通過這些開關(guān)切換驅(qū)動聲表面波的行進方向。
這種配置能夠?qū)⒂糜谏沈?qū)動聲表面波的外部電源的個數(shù)減小為1。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，所述驅(qū)動叉指電極位于所述一對恢復(fù)叉指電極之間，并且都不經(jīng)由開關(guān)連接至外部電源，從而通過使用開關(guān)將電子電路選擇性連接至所述一對恢復(fù)叉指電極中的任一個，以切換驅(qū)動聲表面波的行進方向。
這種配置不用切換外部電源，一個開關(guān)就可以切換用于往復(fù)運動的滑動器的移動方向。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，所述電子電路的阻抗可變。
這種配置能夠?qū)崟r控制滑動器的移動速度和方向。當(dāng)驅(qū)動聲表面波馬達時，能夠響應(yīng)于由于以下變化造成的條件改變來調(diào)節(jié)反射率和操作滑動器，即由于例如外部電源的電壓的改變而產(chǎn)生的波幅改變；由于聲表面波基底的特性改變和由于叉指電極的制造尺寸的改變而產(chǎn)生的波長改變以及出現(xiàn)相位差；和由于例如施加至滑動器的施加壓力的改變而產(chǎn)生的相位改變。
根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達還包括速度檢測裝置，用以檢測所述滑動器相對于所述聲表面波基底的相對速度；速度輸入裝置，用以輸入所述滑動器的目標移動速度；和反饋裝置，用以對所述電子電路的阻抗改變進行反饋控制，以使得由所述速度檢測裝置檢測的相對速度等于由所述速度輸入裝置輸入的目標移動速度。
這種配置能夠通過在不調(diào)節(jié)外部電源的情況下改變電子電路的阻抗(例如電阻分量)來容易地控制滑動器的速度。
根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達還包括相位差檢測裝置，用以檢測來自用以生成聲表面波的外部電源的電壓波形的相位與實際生成的驅(qū)動聲表面波的相位之間的相位差；相位差輸入裝置，用以輸入目標相位差；和反饋裝置，用以對電子電路的阻抗改變進行反饋控制，以使得由相位差檢測裝置檢測的相位差等于由相位差輸入裝置輸入的目標相位差。
這種配置在不調(diào)節(jié)外部電源的情況下，通過調(diào)節(jié)電子電路的阻抗(例如電抗分量)來調(diào)節(jié)聲表面波的相位，從而能夠容易地控制滑動器的速度。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，所述驅(qū)動叉指電極配置在所述聲表面波基底的表面上且位于所述聲表面波的行進方向的前方和后方，其中，至少一個驅(qū)動叉指電極配置有單向化裝置，其不允許由該驅(qū)動叉指電極生成的聲表面波從叉指電極的兩側(cè)均等地發(fā)出，而使得從一側(cè)發(fā)出的聲表面波的振幅大于從另一側(cè)發(fā)出的聲表面波的振幅。
這種配置包括單向化裝置，以使得傳統(tǒng)上被認為損失的能量可用于驅(qū)動，從而增加能量效率。更具體地，在叉指電極兩端生成的聲表面波中，通常，沒有被導(dǎo)向為用以驅(qū)動滑動器的那些聲表面波被丟棄，造成能量損失。然而，單向化裝置的配置使其能夠避免這種損失。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，所述滑動器的與所述聲表面波基底接觸的部分的寬度垂直于所述聲表面波的行進方向，并且其實際等于所述一個或多個驅(qū)動叉指電極的單元電極的重疊寬度。
這種配置使得由叉指電極生成的聲表面波的寬度基本相等于與滑動器的與聲表面波基底的表面接觸的部分的寬度，以使得達到恢復(fù)叉指電極的聲表面波是同相的聲表面波。這使得能夠以高的利用效率從聲表面波恢復(fù)能量。更具體地，基于滑動器與叉指電極之間的尺寸關(guān)系形成相位調(diào)節(jié)裝置。通過這種相位調(diào)節(jié)裝置來調(diào)節(jié)聲表面波的相位改變，從而使傳統(tǒng)上認為損失的能量可被恢復(fù)，并且可使得循環(huán)能量的相位與提供能量的相位相同，由此能夠在生成聲表面波時降低由于干擾造成的能量損失，從而提高能量效率。
在根據(jù)上述改進發(fā)明的本發(fā)明的聲表面波馬達中，在滑動器的與所述聲表面波基底的表面接觸的表面上具有多個接觸凸起，所述接觸凸起均勻地分布在與所述聲表面波的行進方向垂直的方向上。
這種配置使得與聲表面波基底的表面接觸的滑動器的接觸部分在垂直于聲表面波行進方向的寬度方向上的整個寬度上均勻分布。因此，滑動器的寬度方向上發(fā)生的相位改變基本相同，從而能夠使聲表面波以均勻的相位到達恢復(fù)叉指電極，所以能夠有效恢復(fù)能量。



圖1是示出本發(fā)明的聲表面波的結(jié)構(gòu)概念圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的聲表面波馬達的平面圖； 圖3A是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的聲表面波馬達的平面圖，而圖3B是聲表面波馬達的橫截面圖； 圖4A是滑動器的與聲表面波馬達的聲表面波基底的接觸部分及其放大部分的橫截面圖，而圖4B是滑動器的該接觸部分的平面圖； 圖5A是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的聲表面波馬達的示意圖，而圖5B是聲表面波馬達的主要部分的平面圖，圖5C是滑動器的透視圖； 圖6A是叉指電極的反射率的頻率特性的曲線圖，圖6B是在叉指電極的對數(shù)改變時反射率的頻率特性的曲線圖，而圖6C是示出對數(shù)與反射率的最大值之間的關(guān)系的曲線圖； 圖7A是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的聲表面波馬達的示意圖，而圖7B是示出提供給滑動器的施加壓力與聲表面波的傳輸因數(shù)(transmissionfactor)之間的關(guān)系的曲線圖； 圖8A是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的聲表面波馬達的示意圖，而圖8B是聲表面波馬達的主要部分的示意圖； 圖9A是聲表面波馬達的單向叉指電極的頻率特性，其分別示出兩個叉指電極的貢獻，而圖9B是聲表面波馬達的一對單向叉指電極的各反射率的頻率特性的曲線圖； 圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第六實施例的聲表面波馬達的叉指電極的局部頂視圖； 圖11是示出聲表面波馬達的叉指電極另一實例的局部頂視圖； 圖12A是示出聲表面波馬達的叉指電極又一實例的局部頂視圖；而圖12B是叉指電極的空間橫截面圖； 圖13是說明根據(jù)本發(fā)明第七實施例的對聲表面波馬達的恢復(fù)叉指電極的反射率進行調(diào)節(jié)的頻率特性曲線圖； 圖14A和圖14B是示出有關(guān)通過使用阻抗來調(diào)節(jié)聲表面波馬達的恢復(fù)叉指電極的反射率所產(chǎn)生的滑動器的移動的示意性示圖； 圖15A至圖15D分別是在聲表面波馬達使用不同的恢復(fù)叉指電極的實例，并示出關(guān)于通過調(diào)節(jié)阻抗來調(diào)節(jié)聲表面波馬達的各恢復(fù)叉指電極的反射率或相位所產(chǎn)生的滑動器的移動的示意性示圖； 圖16是示出將用于阻抗調(diào)節(jié)的電子電路連接至聲表面波馬達的叉指電極的方法的另一實例的示意性示圖； 圖17A和圖17B是示出根據(jù)本發(fā)明第八實施例的對聲表面波馬達中的反射聲表面波進行相位調(diào)節(jié)的實例的示意性示圖； 圖18A和圖18B是示出根據(jù)本發(fā)明第九實施例的聲表面波馬達中的滑動器的移動方向的狀態(tài)的示意性示圖，其中通過開關(guān)來切換滑動器的移動方向； 圖19A和圖19B是說明根據(jù)本發(fā)明第十實施例的聲表面波馬達的操作的示意性示圖； 圖20是示出通過開關(guān)切換聲表面波馬達中的滑動器的移動方向的狀態(tài)的示意性示圖； 圖21A和圖21B是說明根據(jù)本發(fā)明第十一實施例的聲表面波馬達的操作的示意性示圖； 圖22是說明根據(jù)本發(fā)明第十二實施例的聲表面波馬達的操作的示意性頂視圖； 圖23是根據(jù)本發(fā)明第十三實施例的聲表面波馬達的控制框圖； 圖24是根據(jù)本發(fā)明第十四實施例的聲表面波馬達的控制框圖； 圖25A是傳統(tǒng)聲表面波馬達的平面圖，而圖25B是聲表面波馬達的橫截面圖； 圖26是示出在傳統(tǒng)聲表面波馬達中聲表面波與滑動器之間的關(guān)系的示意性示圖； 圖27A是示出具有相同相位的兩個聲表面波的能量的時間變化的曲線圖，而圖27B是示出通過組合兩個聲表面波而形成的波能量的時間變化的曲線圖； 圖28A是示出具有相位差的兩個聲表面波的能量的時間變化的曲線圖，而圖28B是示出通過組合兩個聲表面波而形成的波能量的時間變化的曲線圖； 圖29A是示出從兩個同相位的能量源提供的用于聲表面波生成的能量的時間變化的曲線圖，而圖29B是示出由兩個能量生成的聲表面波的能量的時間變化的曲線圖；和 圖30A是示出具有相位差的兩個聲表面波的能量的時間變化的曲線圖，而圖30B是示出由兩個能量生成的聲表面波的能量的時間變化的曲線圖。

具體實施例方式 以下，將參照附圖來描述本發(fā)明的能量恢復(fù)型聲表面波馬達。圖1示出聲表面波馬達1的概念結(jié)構(gòu)。聲表面波馬達1包括聲表面波基底2；滑動器3，設(shè)置為當(dāng)被提供施加壓力N時與聲表面波基底2的表面S接觸；驅(qū)動叉指電極4，配置在表面S上并連接至外部電源V，該驅(qū)動叉指電極4用于在表面S中生成一驅(qū)動聲表面波W，以通過基于聲表面波W和施加至滑動器3的施加壓力N，在與聲表面波基底2的滑動器3的接觸表面上生成的摩擦力來驅(qū)動滑動器3；和恢復(fù)叉指電極5，設(shè)置在表面S上且位于聲表面波W的行進方向前方和后方，用于恢復(fù)在聲表面波W中沒有用于驅(qū)動滑動器3的聲表面波w的能量，以及用于使用所恢復(fù)的能量來生成聲表面波W。
聲表面波馬達1還包括相位調(diào)節(jié)裝置10，用于使得由恢復(fù)叉指電極5生成的聲表面波的相位與由驅(qū)動叉指電極4生成的驅(qū)動聲表面波W的相位匹配；和能量循環(huán)裝置11，用于使所恢復(fù)的能量流動至提供端。聲表面波基底2是聲表面波馬達1的定子，而滑動器3是推進器。兩者可以相對移動。自然地，所述定子和推進器的角色可以互換。以下將描述聲表面波馬達1的各組成元件。
使用具有較高機電耦合系數(shù)的壓電材料來形成聲表面波基底2。例如，將鈮酸鋰(LiNbO3)單晶片用作壓電材料。聲表面波基底2不限于完全由壓電材料形成的聲表面波基底，例如可以是通過在非壓電材料基底表面上形成ZnO或PZT的壓電薄膜而制造的聲表面波基底。當(dāng)然，聲表面波基底2可以是其它形狀或材料的壓電材料。聲表面波基底2可具有例如厚度大約1mm的矩形形狀。外形不僅可以是平板，也可以是曲線表面。此外，聲表面波基底2不僅可以是矩形，也可以是圓形或任意形狀。
通常，由硬質(zhì)材料(例如硅)形成滑動器3。在與聲表面波基底2接觸的滑動器3的表面上形成有多個凸起(參見圖4A和圖5C)。例如在使用硅的情況下，通過蝕刻工藝能夠容易地形成這種凸起。所述材料不僅可以是硅，也可以是具有足夠機械強度和抗磨損性的材料?；瑒悠?的接觸表面的結(jié)構(gòu)不限于具有凸起的結(jié)構(gòu)，只要由于聲表面波的橢圓運動而在滑動器3的接觸表面與聲表面波基底2的表面S之間能夠生成足夠的摩擦力即可。
例如使用彈性物體(例如，板簧、卷簧等)來形成向滑動器3提供一施加壓力N的壓力施加裝置30。也可以通過利用永久磁鐵或電磁體的磁力來提供所述施加壓力，例如通過使用磁性材料形成滑動器3，或向滑動器3提供電磁鐵線圈來提供所述施加壓力。
盡管根據(jù)驅(qū)動叉指電極4和恢復(fù)叉指電極5的使用情況，例如存在電源連接與否、在聲表面波基底2上的位置、單元電極(element electrode)的個數(shù)等，驅(qū)動叉指電極4和恢復(fù)叉指電極5分別不同，但是驅(qū)動叉指電極4和恢復(fù)叉指電極5基本上由相似結(jié)構(gòu)的叉指電極(IDT叉指換能器)形成。應(yīng)注意的是，梯形電極可用作反射電極(圖10)。形成叉指電極，以將多個梳齒狀單元電極組合為一個梳狀電極，并通過彼此相對的兩個梳狀電極的梳齒來組合兩個梳狀電極，以使得它們彼此嚙合(參照圖2)。
通過對在聲表面波基底2的表面S上形成的薄膜導(dǎo)體進行圖案化來形成叉指電極。通常，將相鄰的單元電極設(shè)置為彼此極性相反。應(yīng)注意的是，處于浮動電位(floating potential)的單元電極可用作反射電極。此外，單元電極之間的位置距離(間距)通常被設(shè)置為聲表面波的波長的一半。由叉指電極生成的聲表面波的行進方向為與單元電極垂直的方向。同樣，用于吸收聲表面波的能量的叉指電極的單元電極位于與聲表面波的行進方向垂直的方向上。應(yīng)注意的是，雖然為了便于本說明書的描述，可將聲表面波馬達1的左或右被提及為附圖中的左向或右向，但是本發(fā)明的聲表面波馬達1可以包含左/右和上/下的任意方向的方式來驅(qū)動。
配置有用于恢復(fù)能量和用于提供所恢復(fù)能量的兩個恢復(fù)叉指電極5?，F(xiàn)在，為了便于說明，圖1中所示的聲表面波馬達1假設(shè)這樣一種情況，即在附圖中指向右方的驅(qū)動聲表面波W使得滑動器3向左移動。在該圖中，位于右側(cè)的恢復(fù)叉指電極5用于恢復(fù)能量，而位于左側(cè)的恢復(fù)叉指電極5用于提供能量?？梢耘c驅(qū)動叉指電極4相同來形成用于提供能量的恢復(fù)叉指電極5。此外，如果驅(qū)動叉指電極4配置在右側(cè)，并且左側(cè)的恢復(fù)叉指電極5用于恢復(fù)能量，而右側(cè)的恢復(fù)叉指電極5用于提供能量，則滑動器3可以向右移動。
通常，可形成上述驅(qū)動叉指電極4和恢復(fù)叉指電極5，以使得從這些電極發(fā)出的聲表面波被導(dǎo)向至一個方向，或者使得在使用中可控制其方向性。在前一情況下，叉指電極可配置有反射電極和/或反射器，而在后一情況下，可配置附加電源和叉指電極，以能夠靈敏設(shè)置方向性。這里應(yīng)注意，“聲表面波被導(dǎo)向至一個方向”指的是“從一側(cè)發(fā)出的聲表面波的振幅大于從另一側(cè)發(fā)出的聲表面波的振幅，而不允許從叉指電極的兩側(cè)均等地發(fā)出聲表面波”。在圖1中，驅(qū)動叉指電極4和左側(cè)的恢復(fù)叉指電極5用作僅向右發(fā)射的聲表面波的單向叉指電極，而右側(cè)的恢復(fù)叉指電極5用作防止聲表面波向右發(fā)射的單向叉指電極。
接下來，將描述聲表面波馬達1的操作。在圖1的上述狀態(tài)下，當(dāng)從外部電源V向驅(qū)動叉指電極4施加預(yù)定MHz范圍內(nèi)的高頻電壓時，基于該高頻電壓的電能E0可產(chǎn)生在表面S上向右行進的聲表面波W。當(dāng)聲表面波W產(chǎn)生時，向左驅(qū)動滑動器3。由于消耗了聲表面波W的部分能量來驅(qū)動滑動器3，所以聲表面波W變?yōu)閺幕瑒悠?向右行進的聲表面波w。在所有其它條件恒定的情況下，通過施加電壓的大小確定滑動器3的移動速度，同時通過施加電壓的大小和電壓施加的時間來確定移動距離。
右側(cè)的恢復(fù)叉指電極5從聲表面波w的機械能E恢復(fù)能量。所恢復(fù)的能量通過循環(huán)裝置11循環(huán)回左側(cè)的恢復(fù)叉指電極5。左側(cè)的恢復(fù)叉指電極5被提供了該循環(huán)的能量，并基于能量e產(chǎn)生驅(qū)動聲表面波W。
對于這種循環(huán)，存在該恢復(fù)能量是電能形式的情況，以及該恢復(fù)能量是機械能形式的情況。在電能的情況下，能量循環(huán)裝置11通過使用電子電路使能量循環(huán)，而在機械能的情況下，能量循環(huán)裝置11以聲表面波基底2的表面上的聲表面波(即，反射波)的形式使能量循環(huán)。
上述聲表面波W基于來自驅(qū)動叉指電極4的能量E0和來自恢復(fù)叉指電極5的能量e。通過相位調(diào)節(jié)裝置10使基于這兩個能量的聲表面波以彼此同相位的方式匹配。由相位調(diào)節(jié)裝置10進行的相位調(diào)節(jié)處理可以在任意階段進行，例如在由恢復(fù)叉指電極5對聲表面波w的能量進行恢復(fù)之前的階段、或在對恢復(fù)能量進行循環(huán)的期間、或通過向恢復(fù)叉指電極5提供能量來產(chǎn)生聲表面波W的階段等。
首先，將描述在對能量進行恢復(fù)之前的階段由相位調(diào)節(jié)裝置10進行相位調(diào)節(jié)的情況。將恢復(fù)叉指電極5的位置預(yù)先設(shè)置在與驅(qū)動叉指電極4相距預(yù)定距離的位置以能夠進行相位調(diào)節(jié)，從而使其能夠接收已經(jīng)經(jīng)過同相調(diào)節(jié)的聲表面波w。這種相位調(diào)節(jié)處理可稱為空間調(diào)節(jié)處理。也可以電調(diào)節(jié)恢復(fù)叉指電極5的阻抗，從而調(diào)節(jié)恢復(fù)叉指電極5的有效位置。這是一種電調(diào)節(jié)處理。此外，可調(diào)節(jié)聲表面波w的行進區(qū)域和滑動器3之間的空間位置關(guān)系，從而可通過以沒有相位差的方式排列的波陣面來接收由恢復(fù)叉指電極5所接收的聲表面波w本身。在這種情況下，可有效恢復(fù)聲表面波的能量。
接下來，將描述在恢復(fù)之后或在提供階段由相位調(diào)節(jié)裝置10進行相位調(diào)節(jié)的情況。在以電形式循環(huán)能量的情況下，使用電子電路能容易地進行相位調(diào)節(jié)。因此，例如可使用串聯(lián)或并聯(lián)的無源元件，如電阻器、電容器、電感或線路來對電子電路進行相位調(diào)節(jié)。另一方面，在使用波反射以聲表面波的形式機械地恢復(fù)能量的情況下，能夠通過調(diào)節(jié)叉指電極中的有效反射位置來進行相位調(diào)節(jié)?？赏ㄟ^設(shè)置恢復(fù)叉指電極5的空間放置位置或通過電調(diào)節(jié)來使無源元件連接至用于阻抗改變的恢復(fù)叉指電極5，從而進行有效反射位置調(diào)節(jié)。
如上所述，本發(fā)明的能量恢復(fù)型聲表面波馬達1在進行能量恢復(fù)和提供時使用相位調(diào)節(jié)裝置10進行空間或電子相位調(diào)節(jié)，以能夠調(diào)節(jié)恢復(fù)之前與恢復(fù)之后的能量的相位改變，從而使得聲表面波的相位彼此匹配，實現(xiàn)能量效率的增加。例如，能夠避免使得能量效率降低的不同相位的聲表面波之間的干擾。此外，能夠生成具有較高能量效率的驅(qū)動聲表面波，即可有效用于滑動器3的驅(qū)動聲表面波W。以下，將通過實施例來具體描述聲表面波馬達1。
(第一實施例) 圖2示出第一實施例的聲表面波馬達1。聲表面波馬達1包括聲表面波基底2；多個恢復(fù)叉指電極5，設(shè)置在表面S上聲表面波的行進方向的前方和后方(圖中的右側(cè)和左側(cè))，用于在電能和機械能之間進行電能機械能轉(zhuǎn)換，以恢復(fù)和提供能量；驅(qū)動叉指電極4，位于兩個恢復(fù)叉指電極5之間并連接至外部電源V1和V2，用于補償能量；滑動器3，配置為在通過壓力施加裝置30提供一施加壓力N時與聲表面波基底2的表面S接觸，；布線7，用于連接兩個恢復(fù)叉指電極5；和相位調(diào)節(jié)電路8，插入在布線7中。
本實施例的聲表面波馬達1中的聲表面波基底2和滑動器3與上述圖1中所示的類似，所以這里省略對其的描述。此外，叉指電極的結(jié)構(gòu)與圖25A和圖25B中所示的現(xiàn)有技術(shù)中的叉指電極的結(jié)構(gòu)類似，所以這里省略對其的部分描述。應(yīng)注意的是，可對每一恢復(fù)叉指電極5增加一反射器。
布線7構(gòu)成圖1中的能量循環(huán)裝置11。兩個恢復(fù)叉指電極5與聲表面波基底2的表面和布線7共同構(gòu)成用于能量循環(huán)的閉合電路?，F(xiàn)在，將描述恢復(fù)叉指電極5的阻抗匹配。兩個恢復(fù)叉指電極5通常以相同形狀形成，從而基于它們的對稱性和對偶性可自然滿足電阻元件的阻抗匹配。此外，每一恢復(fù)叉指電極5分別具有需要被消除的阻尼電容。這里，可通過與每一恢復(fù)叉指電極5并聯(lián)地插入電感L來消除每一恢復(fù)叉指電極5的阻尼電容，以實現(xiàn)阻抗匹配(參照日本特開專利公布Hei 11-146665)。
相位調(diào)節(jié)電路8由四端子電路形成，并形成為圖1中所示的相位調(diào)節(jié)裝置10。相位調(diào)節(jié)電路8由例如具有串聯(lián)或并聯(lián)的無源元件(如，電阻器、電容器、電感等)的電子電路形成，以對通過布線7循環(huán)的電能進行相位調(diào)整。換句話說，在向左側(cè)恢復(fù)叉指電極5提供恢復(fù)能量以生成聲表面波W時，相位調(diào)節(jié)電路8預(yù)先調(diào)節(jié)電能的相位，以使得所生成的波的相位與通過驅(qū)動叉指電極4生成的聲表面波W的相位匹配。
接下來，將描述聲表面波馬達1的操作。在上述狀態(tài)下，當(dāng)從外部電源V1和V2分別向驅(qū)動叉指電極4的叉指電極4a和4b施加預(yù)定頻率的高頻(MHz范圍)電壓(v1＝v0·cosωt，v2＝v0·sinωt)時，叉指電極4a和4b生成在附圖中向表面S右側(cè)行進的聲表面波W。換句話說，這里的驅(qū)動叉指電極4用作可靈敏設(shè)置方向性的單向叉指電極。當(dāng)生成向右的聲表面波W時，在附圖中向左驅(qū)動滑動器3。在這種狀態(tài)下，由于消耗了聲表面波W的部分能量來驅(qū)動滑動器3，所以聲表面波W變?yōu)閺幕瑒悠?向右行進的聲表面波w。
右側(cè)的恢復(fù)叉指電極5從上述聲表面波w接收到機械能，并將其恢復(fù)為電能，以經(jīng)由布線7使得能量循環(huán)至左側(cè)的叉指電極5。在循環(huán)時，相位調(diào)節(jié)電路8調(diào)節(jié)相位。左側(cè)的恢復(fù)叉指電極5在接收的同時向聲表面波基底2提供電能，作為用以生成驅(qū)動聲表面波W的能量。換句話說，一對恢復(fù)叉指電極5、布線7和相位調(diào)節(jié)電路8執(zhí)行恢復(fù)、循環(huán)、相位調(diào)節(jié)和能量提供，而驅(qū)動叉指電極4補償能量消耗?；谙辔黄ヅ涞倪@些能量生成驅(qū)動聲表面波，以驅(qū)動滑動器3。
配置有這種相位調(diào)節(jié)電路8的聲表面波馬達1能夠?qū)崿F(xiàn)能量效率的增加。此外，由于通過使用電子電路以電能的形式進行相位調(diào)節(jié)，所以很容易根據(jù)期望進行相位調(diào)節(jié)，也很容易適應(yīng)滑動器3的尺寸改變，以及適合于對機械相位調(diào)節(jié)進行精確調(diào)節(jié)。
此外，在上述聲表面波馬達1中，還可以通過使外部電源V1和V2的任一電壓輸入反相來生成被導(dǎo)向至與圖1中所示的聲表面波W相反方向的向左行進的波。這里使用了可以靈敏設(shè)置方向性的單向叉指電極，即驅(qū)動叉指電極4。在這種情況下，左側(cè)的恢復(fù)叉指電極5從聲表面波W直接恢復(fù)機械能，并將其轉(zhuǎn)換成電能。右側(cè)的恢復(fù)叉指電極5經(jīng)由布線7接收電能，并將該能量作為機械能提供給聲表面波基底2。因此，在這種情況下，滑動器3向右移動。
(第二實施例) 圖3A和圖3B示出第二實施例的聲表面波馬達1，而圖4A和圖4B示出在聲表面波馬達1中滑動器3的與聲表面波基底2接觸的部分的結(jié)構(gòu)。與第一實施例的上述聲表面波馬達1不同的是，該聲表面波馬達1沒有相位調(diào)節(jié)電路8。通過調(diào)節(jié)滑動器3的寬度和各叉指電極的寬度，以及通過調(diào)節(jié)聲表面波W和w所在的區(qū)域長度來進行該聲表面波馬達1的相位調(diào)節(jié)。換句話說，在該聲表面波馬達1中的相位調(diào)節(jié)裝置10使用空間調(diào)節(jié)處理，來在能量恢復(fù)之前進行相位調(diào)節(jié)。除了這些方面之外，第二實施例的聲表面波馬達1類似于第一實施例的上述聲表面波馬達1。
對于上述空間相位調(diào)節(jié)，將滑動器3的寬度設(shè)置為與各叉指電極的寬度b基本相同的尺寸。這里，滑動器3的寬度是與聲表面波基底2的表面S接觸的滑動器3的接觸表面31的寬度，該寬度的方向垂直于聲表面波的行進方向。另一方面，叉指電極的寬度b是單元電極的重疊寬度。在所述寬度b的區(qū)域中，驅(qū)動叉指電極4有效生成聲表面波，并且各恢復(fù)叉指電極恢復(fù)能量。
如圖4A和圖4B所示，在滑動器3的接觸表面31上配置多個接觸凸起32，所述多個接觸凸起32以預(yù)定間隔均勻分布在滑動器3的接觸表面31上的整個寬度上。在接觸凸起32端部上的凸出的接觸表面33是與聲表面波基底2的表面S實際接觸的部分，并且是生成用作驅(qū)動力的摩擦力的部分。
根據(jù)本實施例的聲表面波馬達1，配置在接觸表面31上的接觸凸起32均勻分布在接觸表面31的整個寬度上，而將滑動器3的寬度設(shè)置為與電極重疊寬度b基本相同。因此，到達恢復(fù)叉指電極5的聲表面波w是沿著與聲表面波的行進方向垂直的寬度方向具有相同相位的聲表面波，從而有效能量可被恢復(fù)，以生成驅(qū)動聲表面波W，從而實現(xiàn)能量效率的增加。
此外，在本實施例的聲表面波馬達1中，空間調(diào)節(jié)處理不僅可用于沿著寬度方向的上述相位調(diào)節(jié)，以可以用于長度方向的相位調(diào)節(jié)。通過上述滑動器3的寬度來確定滑動器所在的并被驅(qū)動以進行移動的移動部21的寬度。移動部21的長度設(shè)置如下。
一般地，移動部21是聲表面波基底2上的在恢復(fù)叉指電極5其中之一與驅(qū)動叉指電極4之間的區(qū)域。在本實施例的聲表面波馬達1中，移動部21是驅(qū)動叉指電極4a與右側(cè)的恢復(fù)叉指電極5之間的區(qū)域。在叉指電極4和5之間的距離(其使得移動部21夾在中間，以生成聲表面波并恢復(fù)其能量)被設(shè)置為用以生成共振態(tài)聲表面波的距離，以達到有效循環(huán)能量的目的。這里，共振態(tài)聲表面波的生成等同于具有由聲表面波的生成端和恢復(fù)端之間的邊界滿足的周期性邊界條件的聲表面波的生成。換句話說，這表示在恢復(fù)聲表面波時的聲表面波的相位與在生成聲表面波時的相位相同。
現(xiàn)在，如現(xiàn)有技術(shù)的圖26所示，當(dāng)例如滑動器3的接觸物體與行進聲表面波的表面S接觸時，聲表面波的相位在接觸部分發(fā)生改變。因此，為了在馬達驅(qū)動時實現(xiàn)在本實施例的聲表面波馬達1中的上述周期性邊界條件，將移動部分21的長度設(shè)置為具有與由于配置滑動器3而在聲表面波中產(chǎn)生的相位改變量對應(yīng)的初始附加距離的長度。
更具體地，將移動部分距離d(即叉指電極4和5之間的將移動部分21夾在中間的距離)設(shè)置為距離d0加上相位差ΔX(參照圖26)的長度和，即d＝d0+ΔX，其中距離d0是電極之間無需在移動部分21中設(shè)置滑動器3的情況下在移動部分21中生成共振狀聲表面波的距離，相位差ΔX是與由于在移動部分21中設(shè)置滑動器3而在共振態(tài)聲表面波中產(chǎn)生的相位差改變量對應(yīng)的距離。這里，考慮到加號或減號，ΔX是與d0相加的。此處，在電極之間的距離d0和d通常不必是圖案化的電極之間的距離，而是實質(zhì)上或效果上用以實現(xiàn)共振態(tài)的距離。
如上所述，在本實施例的聲表面波馬達1中，基于空間相位調(diào)節(jié)處理的相位調(diào)節(jié)裝置10在聲表面波w的能量恢復(fù)之前進行兩種相位調(diào)節(jié)，實現(xiàn)具有較少能量損失的有效操作，從而能夠?qū)崿F(xiàn)能量效率的增加。所述兩種相位調(diào)節(jié)中的一種是使得被恢復(fù)的聲表面波w產(chǎn)生單一相位狀態(tài)的調(diào)節(jié)，而另一種是滿足周期性邊界條件的調(diào)節(jié)。
(第三實施例) 圖5A至圖5C示出第三實施例聲表面波馬達1，而圖6A至圖6C示出叉指電極的反射特性。本實施例的聲表面波馬達1以機械能的形式將恢復(fù)能量循環(huán)至提供端。這就是本實施例與上述第一和第二實施例中的聲表面波馬達1的不同點。更具體地，通過在聲表面波基底2的表面S上反向行進的聲表面波(即，反射波)以機械能的形式而非電能的形式執(zhí)行能量的恢復(fù)和循環(huán)。本實施例中的能量循環(huán)裝置11是聲表面波基底2的表面S。
本實施例的聲表面波馬達1包括聲表面波基底2；一對叉指電極4，彼此相對地設(shè)置在聲表面波基底2的表面S上并相距預(yù)定距離，用以在聲表面波基底2上生成聲表面波；滑動器3，位于叉指電極4之間的表面S上并由聲表面波驅(qū)動；和壓力施加裝置(未示出)，用以通過預(yù)定施加壓力N使得滑動器3與表面S接觸。
聲表面波基底2、壓力施加裝置等的基本結(jié)構(gòu)與上述圖1中所示的以及第一實施例的這些元件的基本結(jié)構(gòu)類似，所以這里省略對其的描述。參照圖5C，滑動器3由例如硅等形成，并在整體上具有基本上為平行六面體的主體3a和多個凸起3b(這些凸起3b形成在面向表面S設(shè)置的主體3a的表面上并從該表面凸出)，以便于從聲表面波基底2的表面S獲得推力。
此外，聲表面波馬達1的這對叉指電極4用作用以生成驅(qū)動聲表面波的驅(qū)動叉指電極4，還用作用以反射聲表面波以恢復(fù)和提供聲表面波的能量的恢復(fù)叉指電極5，如圖1所示。在圖5A和圖5B中，為了示例簡化了叉指電極4?？上蜻@對叉指電極4添加反射器等，以使其用作單向叉指電極(參照第五和第六實施例)。
在這對叉指電極4中，左側(cè)的叉指電極4經(jīng)由開關(guān)SW1連接至外部電源V1的兩端，而右側(cè)的叉指電極4經(jīng)由開關(guān)SW2連接至外部電源V2的兩端。開關(guān)SW1和SW2用作開關(guān)裝置，用以在生成聲表面波的叉指電極4之間進行切換。換句話說，通過切換開關(guān)，可改變聲表面波基底2上的聲表面波的行進方向，由此可改變滑動器3的移動方向。
這對叉指電極4被彼此面對地設(shè)置在表面S上，以使得兩個叉指電極4的等效反射表面之間的距離是由叉指電極4所生成的聲表面波的半波長的整數(shù)倍。換句話說，將等效反射表面之間的距離d設(shè)置為滿足關(guān)系d＝n×λ/2(n為自然數(shù))，其中λ是聲表面波的波長，d是等效反射表面之間的距離。這里，由于叉指電極4的功能重點在于對聲表面波進行反射，因此等效反射表面指的是置于代表性反射位置上(其由叉指電極產(chǎn)生)的反射表面，這正如物理學(xué)上用質(zhì)點代替具有有限體積的物體的原理一樣。
通過將等效反射表面之間的距離d設(shè)置為上述半波長的整數(shù)倍，由左邊叉指電極4生成的向右行進的所有聲表面波W1以及由各叉指電極4多次反射并因此向右行進的聲表面波W3、W5、W7等具有相同的相位。同樣地，因此向左行進的所有聲表面波W2、W4、W6等具有相同的相位。此外，能夠使得所有這些聲表面波W1、W2等具有相同的相位。在本實施例中的相位調(diào)節(jié)裝置10使用空間調(diào)節(jié)處理。
(叉指電極的設(shè)計) 接下來，將描述各叉指電極4的設(shè)計方法。在叉指電極4中，通過同極性的單元電極之間的距離D(即間距)確定用以生成聲表面波的叉指電極的共振頻率。此外，波反射率R的頻率特性隨著相反極性的單元電極的對數(shù)m而改變。圖5A中簡化示出的叉指電極4的對數(shù)m為m＝5?？赏ㄟ^計算機模擬來獲得這些距離D和對數(shù)m與叉指電極4的共振頻率、導(dǎo)納特性(電導(dǎo)率和電納)以及叉指電極4的反射率R的頻率特性之間的關(guān)系。從而使其能夠設(shè)計出具有所需要的共振頻率和反射特性的叉指電極4。
例如，如果距離D＝132.64μm，對數(shù)m＝20，則可獲得叉指電極4的共振頻率(電導(dǎo)率峰值)f0，即f0＝28.9MHz。在這種情況下，可獲得具有如圖6A所示的反射特性的叉指電極?？衫斫?，對于具有28.9MHz頻率的聲表面波，這種叉指電極具有大約0.21的反射率。這里，距離D的增加使共振頻率減小，從而使得反射率R的總頻率特性移至較低頻率端，而距離D的減少使得共振頻率增加，從而使得反射率R的總頻率特性移至較高頻率端。
在叉指電極4的設(shè)計中，首先，試驗性設(shè)置距離D，以使得反射率R的頻率特性接近于期望值。在通過試驗性設(shè)置距離D來粗略設(shè)置反射率R的頻率特性之后，改變對數(shù)m，以設(shè)置反射率R的大小。圖6B示出在對數(shù)m從m＝5改變至m＝30時的反射特性。在這種情況下，距離D為D＝132.64μm。此外，圖6C示出在對數(shù)m的值與反射率R的最大值之間的關(guān)系。
可以理解的是，可通過增加對數(shù)m來增加反射率R的最大值，以及在對數(shù)m超過30時，反射率R變?yōu)榇蠹s為1。此外，從圖6B中清楚地看出，當(dāng)對數(shù)m改變時，表示反射率R的最大值的頻率逐漸移至較低頻率端。因此，如果表示反射率R的最大值的頻率從期望值漂移，則在確定對數(shù)m之后重置距離D，以使得期望頻率處的反射率變?yōu)樽畲笾?，從而重置最合適的距離D。
通過如此設(shè)置距離D和對數(shù)m，能夠設(shè)計具有所需要的共振頻率和反射率R的頻率特性的叉指電極4。
(多次反射波的能量) 當(dāng)開關(guān)SW1關(guān)閉以從外部電源V1向上述叉指電極4施加高頻電壓，從而生成具有能量P的聲表面波W1時，在聲表面波基底2中生成如圖下部所示的多次反射波。這里，對于與聲表面波W1具有相同頻率的聲表面波來說，左側(cè)的叉指電極4的反射率和右側(cè)的叉指電極4的反射率分別是η(0＜η≤1)和γ(0＜γ≤1)，同時假設(shè)可以忽略在行進期間的聲表面波的衰減。
即，當(dāng)由左側(cè)的叉指電極4生成的聲表面波W1到達右側(cè)的叉指電極4時，其中一部分聲表面波被反射，以變?yōu)榫哂心芰喀肞的聲表面波W2。當(dāng)聲表面波W2到達左側(cè)的叉指電極4時，其中一部分聲表面波被反射，以變?yōu)榫哂心芰喀忙荘的聲表面波W3。以類似的方式重復(fù)這種反射。
如上所述，指向右側(cè)的各聲表面波W1、W3等具有相同的相位，由這些波的總和構(gòu)成的行波WF的能量PF是各波的能量總和，從而PF＝P(1+γη+(γη)2+..)。此外，指向左側(cè)的各聲表面波W2、W4等具有相同的相位，由這些波的總和構(gòu)成的反射波WR的能量PR是各波的能量總和，從而PR＝γP(1+γη+(γη)2+..)。通常，γη＜1，所以使用如下等比數(shù)列公式計算能量PF和PR，即 PF＝P/(1-γη) PR＝γP/(1-γη) 另一方面，在聲表面波基底2中生成的總能量PS是行波WF的能量PF和反射波WR的能量PR的和，即，PS＝PF+PR。如果將其中有助于滑動器3移動的能量稱為行波分量PH，則PH＝PF-PR。另一方面，如果將不會有助于滑動器3移動的能量稱為駐波分量PV，則PV＝PS-PH。因此，PF、PR、PS、PH和PV具有以下關(guān)系 PS＝PF+PR＝(1+γ)P/(1-γη) PH＝PF-PR＝(1-γ)P/(1-γη) PV＝PS-PH＝2PR＝2γP/(1-γη) 從以上對于PF、PR、PS、PH、PV等的等式可以看出，本實施例的聲表面波馬達1能夠通過調(diào)節(jié)反射率η和γ來設(shè)置行波分量PH與駐波分量PV的比。此外，通過設(shè)置右側(cè)的叉指電極4的反射率γ，可使得行波WF的能量PF高于反射波WR的能量PR，即PF＞PR(因此，PH＝PF-PR＞0)。如上所述，可根據(jù)距離D和叉指電極的對數(shù)m來設(shè)置反射率γ。
優(yōu)選地，設(shè)置上述反射率γ，從而使反射波WR的能量PR從0.5至0.98例如與行波WF的能量PF相同。參照以上對于PH和PV的等式，此時的反射率γ的值將處于0.5≤γ≤0.98范圍內(nèi)。應(yīng)注意的是，開關(guān)SW2而非開關(guān)SW1閉合，使得外部電源V2連接至右側(cè)的叉指電極4從而使滑動器3向右移動的情況類似于上述情況，所以這里省略對其的描述。
(聲表面波馬達的操作) 接下來，將描述聲表面波馬達1的操作。當(dāng)開關(guān)SW1閉合，以從外部電源V1向左側(cè)的叉指電極4施加高頻電壓時，由于從叉指電極4提供的電能使得在聲表面波基底2中產(chǎn)生變形。因此，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，從而生成作為聲表面波的瑞利(Rayleigh)波。Rayleigh波在聲表面波基底2的表面S上行進，并在兩個叉指電極4之間多次反射，從而在穩(wěn)定狀態(tài)下，生成向右行進的行波WR和向左行進的反射波WR。這樣的聲表面波具有駐波分量PV和行波分量PH。通過行波分量PH的能量使得滑動器3向左移動。此外，聲表面波馬達1可通過切換開關(guān)SW1和SW2來向左和向右驅(qū)動滑動器3。
(第四實施例) 圖7A示出第四實施例的聲表面波馬達1，而圖7B示出提供給滑動器3的施加壓力N與聲表面波的傳輸因數(shù)α之間的關(guān)系。本實施例的聲表面波馬達1具有與上述第三實施例類似的結(jié)構(gòu)，其不同點在于考慮了在聲表面波行進時向滑動器3提供的施加壓力N的大小的影響，其它方面均類似。
更具體地，從左側(cè)或右側(cè)經(jīng)過與滑動器3接觸的聲表面波基底2的表面S的聲表面波w1、w2、w3、w4等被消耗了一部分能量，所以這些波被衰減。衰減量隨著施加至滑動器3的施加壓力N的增大而增加。此外，如圖7B所示，在施加壓力N增加時，經(jīng)過滑動器3的下表面的聲表面波能量的傳輸因數(shù)α減小。
現(xiàn)在，考慮取決于施加至滑動器3的施加壓力N的聲表面波的傳輸因數(shù)α(0＜α＜1)，下文描述在通過向左側(cè)的叉指電極4施加高頻電壓而生成具有能量P的聲表面波W1時所生成的穩(wěn)定狀態(tài)的多次反射波。與上述相類似，對于與聲表面波W1具有相同頻率的聲表面波來說，左側(cè)的叉指電極4的反射率和右側(cè)的叉指電極4的反射率分別稱為η(0＜η≤1)和γ(0＜γ≤1)，同時假定可以忽略行進期間的聲表面波的衰減。
更具體地，如圖7A所示，具有能量P的聲表面波W1向右行進，并經(jīng)過滑動器3變?yōu)榫哂心芰喀罰的聲表面波w1，然后進一步被右側(cè)的叉指電極4反射，變?yōu)榫哂心芰喀忙罰的聲表面波W2。聲表面波W2經(jīng)過滑動器3，變?yōu)榫哂心芰喀忙?P的聲表面波w2，然后被左側(cè)的叉指電極4反射，變?yōu)榫哂心芰喀忙铅?P的聲表面波W3。以類似的方式重復(fù)這種反射。
向右行進的波WF的能量PF是聲表面波W1、W3等的能量總和，所以PF＝P(1+γηα2+(γηα2)2+..)。此外，向左行進的反射波WR的能量PR是聲表面波W2、W4等的能量總和，所以PR＝γαP(1+γηα2+(γηα2)2+..)。通常，γηα2＜1，所以使用如下等比數(shù)列公式計算能量PF和PR，即 PF＝P/(1-γηα2) PR＝γαP/(1-γηα2) 因此，與上述類似，在聲表面波基底2中生成的總能量PS＝PF+PR、作為有助于滑動器3移動的行波分量PH和作為不會有助于滑動器3移動的駐波分量PV具有以下關(guān)系 PS＝PF+PR＝(1+γα)P/(1-γηα2) PH＝PF-PR＝(1-γα)P/(1-γηα2) PV＝PS-PH＝2PR＝2γαP/(1-γηα2) 從以上等式可以看出，本實施例的聲表面波馬達1除了能夠通過調(diào)節(jié)反射率η和γ之外還可以調(diào)節(jié)傳輸因數(shù)α來設(shè)置行波分量PH與駐波分量PV的比?？赏ㄟ^設(shè)置由壓力施加裝置提供的施加壓力N來設(shè)置傳輸因數(shù)α。此外，可優(yōu)選地設(shè)置反射率γ和傳輸因數(shù)α的值，以使得反射波WR的能量PR從0.5至0.98與行波WF的能量PF相同，從而滿足0.5≤γα≤0.98。
(第五實施例) 圖8A和圖8B示出第五實施例的聲表面波馬達1，而圖9A和圖9B示出聲表面波馬達1的單向叉指電極的反射率。在本實施例的聲表面波馬達1中，采用單向叉指電極作為上述第三和第四實施例中的叉指電極4。
通過配置用以生成聲表面波的叉指電極4a和用以提供單向性的反射電極4b來形成叉指電極4。換句話說，反射電極4b配置在上述第三和第四實施例中的左側(cè)和右側(cè)叉指電極4的外側(cè)。左側(cè)和右側(cè)叉指電極4的位置關(guān)系和例如與外部電源V1和V2以及連接至外部電源V1和V2的開關(guān)SW1和SW2(未示出)與上述第三和第四實施例類似。反射電極4b是結(jié)構(gòu)上基本類似于叉指電極4a的叉指電極。
在描述反射電極4b之前，將描述生成叉指電極4a。以下描述參照如圖8B所示的左側(cè)叉指電極4。假設(shè)叉指電極4a是左右對稱的。叉指電極4a生成兩種波，即向右行進的聲表面波Wa和向左行進的聲表面波Wb，分別具有相同的能量，即P/2。入射在叉指電極4a上的聲表面波的反射率被稱為Ra，而入射在反射電極4b上的聲表面波的反射率被稱為Rb。
然后，從叉指電極4a向右行進的聲表面波的能量總和PT是 PT＝P/2+P(1-Ra)Rb/(1-RaRb)/2 這里，在Rb接近于1時，能量的總和PT接近于P，所以優(yōu)選地，反射電極4b的反射率Rb盡可能地接近于1。因此，進行模擬，使得對于具有頻率28.9MHz(即叉指電極4a的生成頻率)的聲表面波的反射率Rb接近于Rb＝1，從而設(shè)置反射電極4b的單元電極之間的距離D及其對數(shù)m。
例如，如果距離D被設(shè)置為136.6μm，而對數(shù)m被設(shè)置為40，如圖9A中的Rb所示，對于具有頻率28.9MHz的聲表面波，可獲得具有反射率0.999的反射電極4b。根據(jù)圖9A，對于具有頻率28.9MHz的聲表面波，叉指電極4a的反射率Ra為大約0.20。通過以下公式給出該叉指電極4的總反射率Rt Rt＝Ra+(1-Ra)2/(1-RaRb) 如此分別設(shè)置了距離D和對數(shù)m的叉指電極4a和反射電極4b被放置在聲表面波基底2上并且彼此相距預(yù)定距離，以形成叉指電極4?，F(xiàn)在，假設(shè)電極4a和4b之間的距離(極性相反的單元電極之間的距離)改變，則可獲得這樣的結(jié)果，即在該距離是由叉指電極4a生成的聲表面波的半波長的整數(shù)倍時，用于驅(qū)動叉指電極4a的高頻電流的導(dǎo)納變?yōu)樽畲笾?。這是因為由叉指電極4a生成的向右行進的聲表面波Wa和一旦向左行進并由反射電極4b反射以經(jīng)過叉指電極4a并隨后向右行進的聲表面波彼此以同相相位疊加，以便于電流的流動。因此，優(yōu)選地，電極4a和4b之間的距離與半波長的整數(shù)倍基本相等。
以上述方式設(shè)計左側(cè)的叉指電極4。也可以類似地設(shè)計右側(cè)的叉指電極4。然而，由于與左側(cè)的叉指電極4的設(shè)計具有不同的條件，所以右側(cè)的叉指電極4被設(shè)計為能夠獲得如上述第三和第四實施例中所述的行波分量PH。這是因為，如果例如右側(cè)的叉指電極4的距離D和對數(shù)m與左側(cè)的相同，則反射率Ｒt變?yōu)?.999，這使得行波分量PH大大降低，從而不能通過多次反射使得聲表面波馬達1中的滑動器3移動，以恢復(fù)能量。
因此，右側(cè)的叉指電極的叉指電極4a和反射電極4b的距離D和對數(shù)m被設(shè)置如下。更具體地，設(shè)置距離D和對數(shù)m，以使右側(cè)的叉指電極4a的共振頻率具有可使得左側(cè)叉指電極4的反射率降低的值，從而使得對于頻率28.9MHz的右側(cè)的叉指電極4a的反射率降低。例如，分別將距離D和對數(shù)m設(shè)置為133.84μm和20，從而叉指電極4a的共振頻率為28.64MHz。
接下來，與上述基本類似的方式設(shè)計右側(cè)的反射電極4b。與上述類似，優(yōu)選地，該反射電極4b對于由叉指電極4a生成的聲表面波具有盡可能接近于1的反射率。通過模擬，設(shè)置反射電極4b的距離D和對數(shù)m，以使其對于具有頻率28.64MHz的聲表面波具有盡可能接近于1的反射率。例如，分別將距離D和對數(shù)m設(shè)置為137.69μm和40。從而能夠獲得對于頻率為28.64MHz的聲表面波具有反射率0.999的反射電極4b。
以上述的方式，設(shè)計左側(cè)和右側(cè)的叉指電極4，使得左側(cè)的叉指電極4的反射率Rt和右側(cè)的叉指電極4的反射率Ru具有如圖9B所示的頻率特性。從圖9B可以看出，左側(cè)的叉指電極4對于由其自身生成的具有頻率28.9MHz的聲表面波具有約為1的反射率(在28.9MHz時Rt約等于1)，對于由右側(cè)的叉指電極4生成的具有頻率28.64MHz的聲表面波具有約為0.64的反射率(在28.64MHz時Rt約等于0.64)。此外，右側(cè)叉指電極4對于由其自身生成的具有頻率28.64MHz的聲表面波具有約為1的反射率(在28.64MHz時Ru約等于1)，對于由左側(cè)的叉指電極4生成的具有頻率28.9MHz的聲表面波具有約為0.64的反射率(在28.9MHz時Ru約等于0.64)。
現(xiàn)在基于左側(cè)叉指電極4為單向電極的情況來描述左側(cè)叉指電極4的特點。當(dāng)對左側(cè)的叉指電極4的叉指電極4a施加預(yù)定高頻電壓時，如圖8B所示，從叉指電極4a生成向右行進的聲表面波Wa和向左行進的聲表面波Wb。聲表面波Wa和Wb均具有頻率28.9MHz和能量P/2。在上述第三和第四實施例中，聲表面波Wb行進至聲表面波基底2的左端，并轉(zhuǎn)化成熱而浪費掉。在本實施例中，配置反射電極4a，可使得聲表面波Wb被向右反射，從而有效利用。因此，利用相同的能量輸入，能夠生成能量是第三和第四實施例的兩倍的驅(qū)動聲表面波。這也可以同樣應(yīng)用于右側(cè)的叉指電極4。
此外，設(shè)置各叉指電極4中的距離D，以使其具有彼此不同的共振頻率，從而使得右側(cè)的叉指電極4對于由左側(cè)的叉指電極4生成的頻率28.9MHz的聲表面波具有Ru＝0.64的反射率。因此，當(dāng)左側(cè)的叉指電極4被激活時，對滑動器3施加具有足夠振幅的包含行波分量PH和駐波分量PV的聲表面波。
同樣，左側(cè)的叉指電極4對于由右側(cè)的叉指電極4生成的頻率28.64MHz的聲表面波具有Rt約等于0.64的反射率。因此，當(dāng)右側(cè)的叉指電極4被激活時，對滑動器3施加具有足夠振幅的包含行波分量PH和駐波分量PV的聲表面波。
如上所述，本實施例的聲表面波馬達1除了具有與第三和第四實施例類似的優(yōu)點之外，還可通過使用叉指電極4生成具有兩倍于第三和第四實施例的叉指電極4的能量的驅(qū)動聲表面波，其中所使用的叉指電極4由包括激勵(excitation)叉指電極4a和反射電極4b的單向電極構(gòu)成，使其能夠以更低的能量驅(qū)動滑動器3。此外，將各叉指電極4的共振頻率進行區(qū)別，以減小由于反射波導(dǎo)致的行波分量PH的降低，從而可獲得用以移動滑動器3的足夠的行波分量PH。因此，可確保在聲表面波馬達1中移動滑動器3，以執(zhí)行多次反射型的能量恢復(fù)。
(第六實施例) 圖10、圖11和圖12A和圖12B示出三種其它類型的單向叉指電極4的結(jié)構(gòu)實例。類似地，圖10中所示的單向叉指電極4由激勵叉指電極4a和反射電極4b形成。然而，與圖8A中的叉指電極的反射電極4b相比，在該結(jié)構(gòu)中叉指電極4的反射電極4b由梯形電極形成。
此外，通過在彼此極性相反的一對叉指電極42和43(原文如此，但正確的應(yīng)該是41和42)的單元電極之間配置具有浮動電位的反射電極43來形成圖11中所示的單向叉指電極4。這里，反射電極43由多組方角的U型或I型電極構(gòu)成。
此外，形成圖12A和圖12B中所示的單向叉指電極4，從而使得彼此極性相反并由例如鋁薄膜圖案形成的一對叉指電極41和42被設(shè)置為彼此相距預(yù)定距離，并且在這些電極的每一單元電極部分的表面部分與聲表面波基底2的表面部分交叉的表面區(qū)域上形成由二氧化硅SiO2膜構(gòu)成的反射部分40。
圖10、圖11、圖12A和圖12B中所示的這些系列的單向叉指電極4在結(jié)構(gòu)上均不相同，但是它們的操作與第六實施例中描述的叉指電極4(圖8)的操作類似，所以這里省略對其的描述。
(第七實施例) 圖13示出第七實施例的聲表面波馬達1的恢復(fù)叉指電極5的反射率R，圖14A和圖14B示出通過調(diào)節(jié)恢復(fù)叉指電極5的反射率來使滑動器3進行移動，而圖15A至圖15D和圖16示出具有各種結(jié)構(gòu)的恢復(fù)叉指電極5和阻抗調(diào)節(jié)的實例。
本實施例的聲表面波馬達1采用由恢復(fù)叉指電極5反射的聲表面波，以恢復(fù)沒有用于驅(qū)動滑動器3的聲表面波的能量，從而以較低的能量損失(較低輸入)來驅(qū)動滑動器3(圖1)。
現(xiàn)在，如果恢復(fù)叉指電極5完全反射聲表面波，則使得聲表面波基底2中的行波分量減小，從而不能夠移動滑動器3。因此，例如，將電阻器連接至恢復(fù)叉指電極5，來改變叉指電極5的阻抗，以減小反射率，保證聲表面波的行波，從而行波能夠移動滑動器3?？墒褂脽o源元件(例如電阻器、電感或電容器或這些器件的組合)作為用以調(diào)節(jié)恢復(fù)叉指電極5的阻抗的電子電路15。此外，作為梯形電極，通過使得相反極性的恢復(fù)叉指電極5短路使得阻抗值為0。
圖13示出調(diào)節(jié)反射率的實例。橫軸是施加至驅(qū)動叉指電極4的電壓的頻率，而縱軸是恢復(fù)叉指電極5的反射率R。曲線r0示出對于在驅(qū)動叉指電極4的共振頻率15MHz處生成的聲表面波，恢復(fù)叉指電極5的反射率。在曲線r0的情況下，不對恢復(fù)叉指電極5進行阻抗調(diào)節(jié)。此外，設(shè)置恢復(fù)叉指電極5的梳齒(電極指)的對數(shù)和等效反射表面之間的距離d，以獲得頻率15MHz處的總反射。曲線r1示出作為電子電路15的電阻器連接至恢復(fù)叉指電極5以降低反射率R的實例。在曲線r1中，在頻率15MHz處，反射率R降低至R＝0.9。
圖14A示出一種狀態(tài)的聲表面波馬達1，其包括驅(qū)動叉指電極4，配置為將滑動器3夾在中間；以及恢復(fù)叉指電極，配置在叉指電極4的外側(cè)，其中用于反射率調(diào)節(jié)的電阻器(電子電路15)連接至右側(cè)的恢復(fù)叉指電極5，而外部電源V連接至左側(cè)的驅(qū)動叉指電極4，從而使得滑動器3向左移動。在這種狀態(tài)下，電阻器R的作用使得向右行進的聲表面波WL的數(shù)量足夠大于向左行進的聲表面波WR的數(shù)量，從而能夠向滑動器3施加具有足夠振幅的包含行波分量PH和駐波分量PV的聲表面波。換句話說，在這種類型的聲表面波馬達1中可獲得用以移動滑動器3的足夠行波分量PH，以通過聲表面波的多次反射恢復(fù)能量。圖14B示出電子電路15和外部電源V的連接互換以向右移動滑動器3的狀態(tài)。
在圖14A和圖14B、圖15A和圖15B以及圖16所示的聲表面波馬達1中的恢復(fù)叉指電極5用作反射電極，以使得相鄰的驅(qū)動叉指電極4形成為單向叉指電極。圖15B的反射電極是圖10中所示的結(jié)構(gòu)的實例。在圖15C和圖15D中所示的聲表面波馬達的各驅(qū)動叉指電極4在其中構(gòu)造有用以形成單向叉指電極的結(jié)構(gòu)。前一附圖是圖11中所示結(jié)構(gòu)的實例，而后一附圖是圖12A和圖12B中所示結(jié)構(gòu)的實例。
本實施例的任一上述恢復(fù)叉指電極5(或圖16的情況下的驅(qū)動叉指電極4)連接至由無源元件(例如，電阻器、電感等)形成的電子電路15，以調(diào)節(jié)阻抗。如果該電子電路15是電阻器，則其具有用以調(diào)節(jié)恢復(fù)叉指電極的反射率的功能，而如果該電子電路15是電感或電容器，則其具有用以調(diào)節(jié)由恢復(fù)叉指電極5反射的聲表面波的相位的功能。在后一情況下，可調(diào)節(jié)等效反射表面之間的距離d。
應(yīng)注意的是，在本實施例的例如圖15A中的驅(qū)動叉指電極4可被當(dāng)作第五實施例中圖8A的叉指電極4a，而恢復(fù)叉指電極5可被當(dāng)作在同一第五實施例中圖8A的反射電極4b。
(第八實施例) 圖17A和圖17B均示出電感L或電容器C連接至由彼此極性相反的一對叉指電極41和42形成的叉指電極4以改變由叉指電極4反射的聲表面波的相位的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，通過反射表面位置的改變產(chǎn)生相位改變。改變反射表面位置的功能指的是在叉指電極的圖案形成之后可調(diào)節(jié)在第三實施例(圖5A)中描述的等效反射表面之間的距離d。
當(dāng)電感L連接在圖17A中所示的叉指電極41和42之間時，反射之后的聲表面波的相位相對于反射之前的聲表面波的相位被延遲。因此，從左側(cè)入射并被反射的聲表面波Wr的可見反射位置可認為是從位置R0移動至左側(cè)的位置R1。這里，假設(shè)由于電感L的感應(yīng)系數(shù)值產(chǎn)生的相位延遲是θ，當(dāng)?shù)刃Х瓷浔砻嬷g的距離d和θ滿足2d-θλ/2π＝nλ時，能夠?qū)崿F(xiàn)可滿足對于多次反射的聲表面波W1、W2、W3、W4等的周期性邊界條件的反射。應(yīng)注意的是，位置R0和R1之間的距離為θλ/4π。
另一方面，當(dāng)如圖17B所示電容器C連接至叉指電極41和42之間時，反射之后的聲表面波的相位相對于反射之前的聲表面波的相位提前。因此，從左側(cè)入射并被反射的聲表面波Wr的可見反射位置可認為是從位置R0移動至右側(cè)的位置R2。這里，假設(shè)由于電容器的電容值產(chǎn)生的相位延遲是，在等效反射表面之間的距離d和滿足2d+λ/2π＝nλ時，能夠?qū)崿F(xiàn)可滿足對于多次反射的聲表面波W1、W2、W3、W4等的周期性邊界條件的反射。應(yīng)注意的是，在位置R0和R2之間的距離為λ/4π。
(第九實施例) 圖18A和圖18B示出通過開關(guān)SW1和SW2切換第九實施例的聲表面波馬達1中的滑動器3的移動方向的狀態(tài)。與第五實施例的圖15A中所示的聲表面波馬達1類似，本實施例的聲表面波馬達1通過多次反射恢復(fù)能量。僅描述本實施例的區(qū)別點。
聲表面波馬達1具有設(shè)置在聲表面波基底2的表面S上位于聲表面波的行進方向的前方和后方的驅(qū)動叉指電極4，并包括開關(guān)SW1，用以選擇性地使外部電源V連接至任一驅(qū)動叉指電極4；和開關(guān)SW2，用以選擇性地使電子電路15連接至一對恢復(fù)叉指電極5中的任一個?？赏ㄟ^所述開關(guān)SW1和SW2來切換驅(qū)動聲表面波的行進方向，從而切換滑動器3的移動方向。此外，用以生成驅(qū)動聲表面波的外部電源V的個數(shù)可減小為1。
(第十實施例) 圖19A和圖19B以及圖20示出第十實施例的聲表面波馬達1。本實施例的聲表面波馬達1采用在上述第九實施例中使用的多個恢復(fù)叉指電極5。為了能夠?qū)崿F(xiàn)多個恢復(fù)叉指電極5，沒有連接至外部電源的驅(qū)動叉指電極4共同用作恢復(fù)叉指電極。此外，用以阻抗調(diào)節(jié)的電子電路15和16分別連接至多個恢復(fù)叉指電極5。在圖20的情況下，配置三個開關(guān)SW1、SW2和SW3，以能夠通過開關(guān)之間的切換來切換滑動器3的移動方向。應(yīng)注意的是，具有高響應(yīng)速度的光耦(Photo-MOS)繼電器可用作所述開關(guān)。
(第十一實施例) 圖21A和圖21B示出第十一實施例的聲表面波馬達1。在本實施例的聲表面波馬達1中，將上述第九實施例的開關(guān)SW1和SW2減少為1個。更具體地，在聲表面波馬達1中，兩個驅(qū)動叉指電極4位于一對恢復(fù)叉指電極5之間，并且均連接至外部電源V而沒有經(jīng)由開關(guān)。此外，可通過使用開關(guān)SW使電子電路15選擇性地連接至這對恢復(fù)叉指電極5中的任一個來切換驅(qū)動聲表面波的行進方向。這種聲表面波馬達1不切換外部電源V，所以通過使用往復(fù)運動的單個開關(guān)SW可切換滑動器3的移動方向。
(第十二實施例) 圖22示出第十二實施例的聲表面波馬達1。在本實施例的聲表面波馬達1中，在例如具有關(guān)于上述圖17的圖15A的結(jié)構(gòu)的聲表面波馬達1中的電子電路15是阻抗可變的，從而使其能夠?qū)崟r控制滑動器3的移動速度和移動方向。對于這種實時控制，在例如用以生成聲表面波的區(qū)域A中，測量聲表面波的振幅和相對于由外部電源V輸出的電壓相位的相位漂移?；跍y量的信息，調(diào)節(jié)電子電路15的阻抗，來控制滑動器3的移動。電子電路15的可變阻抗Z表示為Z＝R+iX。這里，R是基于可變電阻器的電阻值，而X是基于可變電容器或可變電感的電抗值。第十三實施例和第十四實施例將分別示出通過調(diào)節(jié)電阻R來執(zhí)行控制的實例，和通過調(diào)節(jié)電抗X來執(zhí)行控制的實例。
當(dāng)驅(qū)動聲表面波馬達1時，例如由于以下原因造成條件改變，即由于例如外部電源V的電壓的改變而導(dǎo)致的波振幅的改變；由于聲表面波基底2的質(zhì)量改變和由于叉指電極的制造尺寸的改變而導(dǎo)致的波長改變以及出現(xiàn)相位差；和由于例如滑動器3的施加壓力N的改變而導(dǎo)致的相位改變。因此，適于條件的改變來調(diào)節(jié)電子電路15的阻抗，以調(diào)節(jié)例如反射波的相位和恢復(fù)叉指電極5的反射率，從而能夠?qū)崟r控制滑動器3的操作。
(第十三實施例) 圖23示出第十三實施例的聲表面波馬達1的控制框圖。本實施例的聲表面波馬達1更具體地示出上述第十二實施例中的滑動器3的實時控制。聲表面波馬達1包括速度檢測裝置12，用以檢測滑動器3相對于聲表面波基底2的相對速度v；速度輸入裝置13，用以輸入滑動器3的目標移動速度v0；和反饋裝置14，用以反饋控制由無源元件形成的電子電路15的阻抗的改變，以使得由速度檢測裝置12檢測的相對速度v等于由速度輸入裝置13輸入的目標移動速度v0。
在本實施例中改變的阻抗是電阻R。如上述第七實施例的圖14A和圖14B中所示，可通過電阻器調(diào)節(jié)恢復(fù)叉指電極5的反射率，以控制用以移動滑動器3的行波分量PH的大小。此外，一般地，可通過改變從外部電源V輸出的電壓振幅或脈沖寬度來執(zhí)行滑動器3的速度控制。然而，在用以執(zhí)行多次反射型能量恢復(fù)的本實施例的聲表面波馬達1中，可通過改變電子電路15的電阻分量來容易地實時控制滑動器3的速度控制，而無需對外部電源V進行調(diào)節(jié)。
對于具有其阻抗(特別是電阻)是如上所述可變的電子電路15的聲表面波馬達1，可通過調(diào)節(jié)阻抗來對其進行調(diào)節(jié)，以使其能夠在組裝之后的初始操作時獲得目標驅(qū)動力、聲表面波振動的速度和分布。此外，如上所述的實時控制功能使其能夠解決性能下降的問題，例如在聲表面波馬達1長時間運行時發(fā)生的速度和驅(qū)動力下降?？赏ㄟ^實時測量滑動器3的移動速度v、和基于移動速度的降低來檢測驅(qū)動特性的降低以及進一步通過調(diào)節(jié)阻抗Z(特別是電阻R)來校正速度的降低。驅(qū)動特性的降低可能是由于與聲表面波基底2接觸的滑動器3的接觸部分的磨損而引起的，但不限于此。
(第十四實施例) 圖24示出第十四實施例的聲表面波馬達1的控制框圖。與上述第十三實施例類似，本實施例的聲表面波馬達1更具體地示出上述第十二實施例中的滑動器3的實時控制。這里描述的聲表面波馬達1包括相位差檢測裝置16，用以檢測來自用以生成聲表面波的外部電源V的電壓波形的相位v和實際生成的驅(qū)動聲表面波的相位w之間的相位差θ；相位差輸入裝置13，用以輸入目標相位差θ0；和反饋裝置14，用以反饋控制電子電路15的阻抗的改變，以使得由相位差檢測裝置16檢測的相位差θ等于由相位差輸入裝置13輸入的目標相位差θ0。
在本實施例中改變的阻抗是電阻X。如上述第八實施例的圖17A和圖17B所示，可通過使用電感L或電容器C調(diào)節(jié)邊界條件來調(diào)節(jié)由恢復(fù)叉指電極5反射的聲表面波的相位，從而控制用以移動滑動器3的行波分量PH的大小。與上述第十三實施例類似，對于具有其阻抗(特別是電阻)是可變的電子電路15的聲表面波馬達1，可通過調(diào)節(jié)電阻來對其進行調(diào)節(jié)，以使其能夠在組裝之后的初始操作時獲得目標驅(qū)動力、聲表面波振動的速度和分布。此外，如上所述的實時控制功能使其能夠校正聲表面波的相位漂移，從而可通過實時測量在聲表面波馬達1長時間運行時出現(xiàn)的相位漂移、和基于該相位漂移檢測驅(qū)動特性的降低以及進一步通過調(diào)節(jié)阻抗Z(特別是電阻X)來校正滑動器3的速度的降低。
相位漂移主要由于向滑動器3提供的施加壓力N的改變而產(chǎn)生的，但不限于此。施加壓力N的改變可能由于壓力施加裝置的老化(例如，用以生成施加壓力N的彈簧老化和磁鐵的老化)而產(chǎn)生。應(yīng)注意的是，本發(fā)明不限于上述結(jié)構(gòu)，可進行各種修改。例如，能夠?qū)⑸鲜龈鲗嵤├母鞑糠謨?nèi)容彼此組合，以形成聲表面波馬達1。
本申請要求2005年3月28日提交的日本專利申請和2005年7月19日提交的日本專利申請的優(yōu)先權(quán)。所述申請的全部內(nèi)容通過參考援引與本申請中。
權(quán)利要求
1.一種聲表面波馬達，包括
聲表面波基底；
滑動器，配置為在被施加壓力時與所述聲表面波基底的表面接觸；
一個或多個驅(qū)動叉指電極，配置在所述聲表面波基底的表面上并連接至外部電源，用以在所述聲表面波基底中生成驅(qū)動聲表面波，以通過摩擦力來驅(qū)動所述滑動器，其中基于所述聲表面波和施加至所述滑動器的壓力，在所述滑動器的與所述聲表面波基底接觸的接觸表面上生成所述摩擦力；和
恢復(fù)叉指電極，設(shè)置在所述聲表面波基底的表面上且位于所述聲表面波的行進方向的前方和后方，用于恢復(fù)聲表面波中未用于驅(qū)動所述滑動器的聲表面波的能量，以及用于使用所恢復(fù)的能量生成聲表面波；
其中，所述聲表面波馬達還包括相位調(diào)節(jié)裝置，用于使由所述恢復(fù)叉指電極生成的聲表面波的相位與由所述驅(qū)動叉指電極生成的驅(qū)動聲表面波的相位匹配。
2.如權(quán)利要求1所述的聲表面波馬達，具有至少一對所述恢復(fù)叉指電極，其中一個恢復(fù)叉指電極用于將所述聲表面波的機械能轉(zhuǎn)換為電能，并對電能進行恢復(fù)；另一個恢復(fù)叉指電極用于將所恢復(fù)的電能轉(zhuǎn)換為用以生成驅(qū)動聲表面波的機械能。
3.如權(quán)利要求2所述的聲表面波馬達，其中所述相位調(diào)節(jié)裝置由連接在一個所述恢復(fù)叉指電極與另一個所述恢復(fù)叉指電極之間的電子電路構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求2所述的聲表面波馬達，其中基于所述聲表面波基底的一區(qū)域的長度來設(shè)置所述相位調(diào)節(jié)裝置，其中該區(qū)域位于所述恢復(fù)叉指電極的其中之一與所述驅(qū)動叉指電極的其中之一之間并且所述滑動器在該區(qū)域中移動，該長度被設(shè)置為在沒有配置所述滑動器的情況下用以生成共振態(tài)的聲表面波的長度加上另一長度的總長度，該另一長度與由于在該區(qū)域中配置所述滑動器而在所述共振態(tài)的聲表面波中產(chǎn)生的相位改變量相對應(yīng)。
5.如權(quán)利要求1所述的聲表面波馬達，具有至少一對所述恢復(fù)叉指電極，其中一個所述恢復(fù)叉指電極用于反射所述聲表面波并使其返回至所述驅(qū)動叉指電極，以恢復(fù)所述聲表面波的能量；另一個所述恢復(fù)叉指電極用于再次反射所返回的聲表面波，以生成驅(qū)動聲表面波。
6.如權(quán)利要求5所述的聲表面波馬達，其中用作起驅(qū)動作用的叉指電極的恢復(fù)叉指電極共同用作所述驅(qū)動叉指電極。
7.如權(quán)利要求5或6所述的聲表面波馬達，其中基于一對所述恢復(fù)叉指電極的等效反射表面之間的長度設(shè)置所述相位調(diào)節(jié)裝置，其中該長度基本等于由所述恢復(fù)叉指電極生成的聲表面波的半波長的整數(shù)倍。
8.如權(quán)利要求5或6所述的聲表面波馬達，其中所述相位調(diào)節(jié)裝置由與位于所述驅(qū)動聲表面波的行進方向前方的恢復(fù)叉指電極連接的電子電路構(gòu)成，其中通過設(shè)置所述電子電路的阻抗來調(diào)節(jié)由該叉指電極反射的反射波的相位。
9.如權(quán)利要求7或8所述的聲表面波馬達，其中通過以下方式的至少其中之一調(diào)節(jié)由所述恢復(fù)叉指電極反射的反射波的反射率，所述方式包括調(diào)節(jié)該叉指電極的單元電極之間的距離；調(diào)節(jié)該叉指電極的單元電極的個數(shù)；和調(diào)節(jié)施加至該滑動器的壓力的大小。
10.如權(quán)利要求7或8所述的聲表面波馬達，其中所述恢復(fù)叉指電極連接有通過設(shè)置阻抗來調(diào)節(jié)由該叉指電極反射的反射波的反射率的電子電路。
11.如權(quán)利要求10所述的聲表面波馬達，其中所述驅(qū)動叉指電極配置在所述聲表面波基底的表面上且位于所述驅(qū)動聲表面波的行進方向的前方和后方，其中所述聲表面波馬達包括用以選擇性地將所述外部電源連接至任一所述驅(qū)動叉指電極的開關(guān)和用以將所述電子電路連接至一對所述恢復(fù)叉指電極中的任一個的開關(guān)，使得通過這些開關(guān)來切換所述驅(qū)動聲表面波的行進方向。
12.如權(quán)利要求11所述的聲表面波馬達，其中所述驅(qū)動叉指電極位于一對所述恢復(fù)叉指電極之間，并且都不經(jīng)由所述開關(guān)連接至所述外部電源；通過使用所述開關(guān)將所述電子電路選擇性地連接至一對所述恢復(fù)叉指電極中的任一個，以切換所述驅(qū)動聲表面波的行進方向。
13.如權(quán)利要求10所述的聲表面波馬達，其中所述電子電路的阻抗可變。
14.如權(quán)利要求13所述的聲表面波馬達，還包括
速度檢測裝置，用以檢測所述滑動器相對于所述聲表面波基底的相對速度；
速度輸入裝置，用以輸入所述滑動器的目標移動速度；和
反饋裝置，用以對所述電子電路的阻抗改變進行反饋控制，以使得由所述速度檢測裝置檢測的相對速度等于由所述速度輸入裝置輸入的目標移動速度。
15.如權(quán)利要求13所述的聲表面波馬達，還包括
相位差檢測裝置，用以檢測電壓波形的相位與實際生成的驅(qū)動聲表面波的相位之間的相位差，其中所述電壓波形來自用以生成聲表面波的所述外部電源；
相位差輸入裝置，用以輸入目標相位差；和
反饋裝置，用以對所述電子電路的阻抗改變進行反饋控制，以使得由所述相位差檢測裝置檢測的相位差等于由所述相位差輸入裝置輸入的目標相位差。
16.如權(quán)利要求1所述的聲表面波馬達，其中所述驅(qū)動叉指電極配置在所述聲表面波基底的表面上且位于所述聲表面波的行進方向的前方和后方，和
其中，至少一個所述驅(qū)動叉指電極配置有單向化裝置，其不允許由該驅(qū)動叉指電極生成的聲表面波從該叉指電極的兩側(cè)均等地發(fā)出，而使得從一側(cè)發(fā)出的聲表面波的振幅大于從另一側(cè)發(fā)出的聲表面波的振幅。
17.如權(quán)利要求1所述的聲表面波馬達，其中所述滑動器的與所述聲表面波基底的表面接觸的部分的寬度的方向垂直于所述聲表面波的行進方向，并且所述寬度實際等于所述一個或多個驅(qū)動叉指電極的單元電極的重疊寬度。
18.如權(quán)利要求17所述的聲表面波馬達，其中所述滑動器在其與所述聲表面波基底的表面接觸的部分上具有多個接觸凸起，所述接觸凸起均勻地分布在與所述聲表面波的行進方向垂直的方向上。
全文摘要
在能量恢復(fù)型聲表面波馬達中，可通過調(diào)節(jié)相位改變來實現(xiàn)在能量恢復(fù)和提供時能量效率的增加。一種聲表面波馬達(1)，包括聲表面波基底(2)；滑動器(3)，被提供有施加壓力(N)；驅(qū)動叉指電極4，連接至外部電源(V)，用以在表面(S)上生成驅(qū)動聲表面波(W)，以通過基于所述聲表面波(W)和施加壓力(N)在與所述聲表面波基底(2)接觸的滑動器(3)的接觸表面上生成的摩擦力來驅(qū)動所述滑動器(3)；恢復(fù)叉指電極(5)，位于所述聲表面波(W)的行進方向的前方和后方，用于恢復(fù)在所述聲表面波(W)中未用于驅(qū)動所述滑動器3的聲表面波(W)的能量，以及用于使用所恢復(fù)的能量生成聲表面波(W)；和相位調(diào)節(jié)裝置(10)，用于使得由所述恢復(fù)叉指電極5生成的聲表面波的相位與由所述驅(qū)動叉指電極(4)生成的驅(qū)動聲表面波W的相位匹配。
文檔編號H02N2/00GK101151794SQ200680010418
公開日2008年3月26日 申請日期2006年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月28日
發(fā)明者桐谷昌廣, 佐藤正博, 石上陽平, 澤田和男, 黑澤實 申請人:松下電工株式會社, 國立大學(xué)法人東京工業(yè)大學(xué)