專利名稱：壓電電動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電裝置，具體涉及壓電電動機(jī)。
本發(fā)明可用作無減速裝置的電動機(jī)，進(jìn)行連續(xù)或不連續(xù)(步進(jìn)式)的轉(zhuǎn)動。這些電動機(jī)可用在自動化系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中代替電磁鐵，也可作為錄音機(jī)、電唱機(jī)、電影攝影設(shè)備的基本驅(qū)動裝置。
公知的壓電電動機(jī)包括定子和與定子摩擦配合的轉(zhuǎn)子。定子有外殼和裝在外殼上徑向振動的壓電振動器。壓電振動器包括與轉(zhuǎn)子同軸安裝的帶電極的園盤狀壓電元件(該園盤被這些電極垂直極化)以及至少兩個頂桿，每個頂桿的一端固定在壓電元件的園柱面上，另一端頂在轉(zhuǎn)子上。
在這種壓電電動機(jī)中，當(dāng)需要改變它的標(biāo)稱旋轉(zhuǎn)頻率時，必須改變壓電元件的直徑。這樣就不可能制造通用的、可用于壓電電動機(jī)轉(zhuǎn)子任何旋轉(zhuǎn)頻率的壓電元件。因此，對于給定的壓電元件，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率范圍是有限的。
此外，固定頂桿的牢固程度隨壓電元件的增厚而增強(qiáng)，這限制了降低消耗功率的(例如照相機(jī)光圈用的壓電電動機(jī)在空載時的所需功率)的可能性。
本發(fā)明的目的是制造一種對于給定的壓電元件提供擴(kuò)大轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率范圍的壓電電動機(jī)。
本發(fā)明的另一個目的是制造一種保證擴(kuò)大其消耗功率范圍的壓電電動機(jī)。
提出的問題是這樣解決的壓電電動機(jī)具有定子和與定子摩擦配合的轉(zhuǎn)子，定子有外殼和裝在外殼上的徑向振動壓電振動器，振動器包括與轉(zhuǎn)子同軸安裝的帶電極的園盤狀壓電元件(園盤被這些電極垂直極化)，至少有兩個頂桿，每個頂桿其一端固定在壓電元件上，而另一端頂在轉(zhuǎn)子上。按照本發(fā)明，每個頂桿的一端以最小程度固定在壓電元件的一個平面上，使壓電元件與頂桿之間留有間隙。
本發(fā)明可以制造一系列消耗功率范圍較寬的壓電電動機(jī)。
本發(fā)明也可以制造使用規(guī)格化壓電元件，而且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率范圍和消耗功率范圍寬的壓電電動機(jī)。本發(fā)明可降低壓電電動機(jī)的價格，因此可用它代替電磁鐵作為執(zhí)行裝置，也可減少制造壓電電動機(jī)的工作量。
下面以具體實例及附圖闡述本發(fā)明，其中
圖1是按照發(fā)明帶有園柱形轉(zhuǎn)子的壓電電動機(jī)的縱剖面圖，該轉(zhuǎn)子包著緊靠著它的頂桿;
圖2表示本發(fā)明的壓電電動機(jī)沿圖1Ⅱ-Ⅱ線切開的剖面圖;
圖3a、3b、3c表示本發(fā)明的帶有被頂桿包住轉(zhuǎn)子的壓電電動機(jī)的壓電元件和固定在壓電元件的頂桿;
圖3d、3e、3g表示本發(fā)明的帶有在頂桿之間配置轉(zhuǎn)子的壓電電動機(jī)的壓電元件和固定在壓電元件的頂桿;
圖4表示本發(fā)明帶有固定在壓電元件的兩個平面上的頂桿的壓電電動機(jī)示意圖，其轉(zhuǎn)子被頂桿包住;
圖5表示用于執(zhí)行裝置的本發(fā)明的低速壓電電動機(jī)的剖面圖;
圖6表示以接觸法接通壓電元件的本發(fā)明的高速壓電電動機(jī)的剖面圖;
圖7表示帶有無孔園盤狀壓電元件的本發(fā)明的壓電電動機(jī)的剖面圖。
參見圖1，壓電電動機(jī)包括定子1和用以接通交流電壓的引線2(圖上未示出)。定子1對于安裝它的制件(圖中未示出)來說，是壓電電動機(jī)的固定部分。壓電電動機(jī)的轉(zhuǎn)子3裝在定子1上，可在軸承4內(nèi)轉(zhuǎn)動，并用可卸接頭5，例如鎖定墊圈，固定在它上面，以防其沿自己的軸向移動。
壓電電動機(jī)的定子1包括徑向振動的壓電振動器6，它與定子1的外殼7是聲絕緣的，并固定在外殼7上。外殼7用來防止徑向振動的壓電振動器6受到損壞，也是為了使壓電電動機(jī)能通過支撐孔8固定在制件上。
徑向振動的壓電振動器6是電機(jī)械裝置，用來把電能轉(zhuǎn)換成壓電振動器6固體粒子的振動，這種振動主要在旋轉(zhuǎn)體形狀的壓電元件的徑向上。壓電元件是徑向振動壓電振動器6的有源部分。
徑向振動壓電振動器6的無源部分與有源部分不同，它不能把能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。頂桿10以及使它壓電元件9連接的導(dǎo)聲體11屬于徑向振動壓電振動器6的無源部分。在該徑向振動器6中有四個頂桿10。如消除轉(zhuǎn)子3對定子1的作用力，頂桿10最少要用兩個。當(dāng)頂桿10的數(shù)目等于2和大于2時(均勻設(shè)置)，從每個頂桿10作用于轉(zhuǎn)子3的合力近似等于零。在這種情況下，頂桿10越多，轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)動力矩越大，這時必須同時增大壓電電動機(jī)的供電電壓，這就限制頂桿10的數(shù)量為32以下。每個頂桿以最小程度固定其一端在壓電元件9的一個平面上，而另一端頂在轉(zhuǎn)子3上。
每個頂桿10都用有彈性的導(dǎo)聲材料，例如鋼或者膠木做成，形如平板片。通常每個頂桿10都做成矩形。頂桿10的形狀容許改變，例如把它們做成向非固定端逐漸變窄的形狀，或使它們帶有凸部，用以固定徑向振動壓電振動器6，或固定頂桿10。這時，壓電電動機(jī)的參數(shù)不會變壞。
頂桿10是靠本身的彈性緊壓在轉(zhuǎn)子3上的。因此，把轉(zhuǎn)子3安裝到定子1上時，要把頂桿10的未端折彎。但是，要使頂桿10緊壓在轉(zhuǎn)子3上，也可以在軸線方向上對轉(zhuǎn)子3施力，例如，利用轉(zhuǎn)子3本身的重量或者使用電磁鐵、板簧或螺旋彈簧(圖1未示出)。把頂桿10與壓電元件9連接起來的導(dǎo)聲體11，是硬化了的焊料或有機(jī)硬物(例如聚合后的環(huán)氧樹脂)。
為了在壓電振動器6中產(chǎn)生徑向振動，壓電元件9做成園盤狀，在園盤12的平面上有電極13。園盤表面是一層薄的金屬復(fù)蓋物，其形成的方法是在真空中噴涂金屬、燒滲銀或使金屬在化學(xué)溶液中沉淀。電源電壓(圖1中電源未畫出)通過引線2送到電極13上，引線2焊接在電極13上，如圖1所示，或者用接觸法與電極相連。頂桿10未被連接到導(dǎo)聲體11遮蓋的部分，而是固定在壓電元件9的平面上，間隙大小應(yīng)足以保證組裝壓電電動機(jī)時頂桿10不會與壓電元件8的電極13相接觸。例如，如果裝配時有十個壓電電動機(jī)，其中有一個電動機(jī)的頂桿10碰到了電極13，那就應(yīng)當(dāng)改變這種電動機(jī)的結(jié)構(gòu)，把間隙14的數(shù)值增大一倍。園盤12是用具有壓電特性的多晶材料制成的。為了使多晶材料中顯現(xiàn)壓電特性，要制造剩余極化，得到剩余極化的過程也叫材料的極化。壓電電動機(jī)的壓電元件9的材料宜使用鋯酸鉛的鈦酸鹽固溶體作基體。
電極13是使材料極化所必需的。在這兩個電極上加上極化電壓。這時，壓電元件9的極化方向與極化場強(qiáng)矢量相等，即垂直于電極13的表面。為了在徑向振動壓電振動器6的壓電元件中得到壓電電動機(jī)工作頻率的徑向振動，宜于使壓電元件9的最大直徑D1，或者直徑差D1-D等于徑向聲振動波長λ的一半，這里D為園盤12的孔直徑。為此使用公式(λ)/2 ≈ (N)/(f)式中f為徑向振動的諧振頻率;N當(dāng)壓電元件9材料的頻率常數(shù)，它與該材料中的聲速有關(guān)。
壓電電動機(jī)的轉(zhuǎn)子3包括三部分。第一部分-摩擦部分15，它是具有園柱面或者園錐面的環(huán)，與頂桿10摩擦配合。摩擦部分15應(yīng)該用表面粗糙度最低的耐磨材料制成，以減少頂桿10的磨損。對于工作壽命很長的壓電電動機(jī)，其摩擦部分用氧化鋁為基體的礦物陶瓷，或熱固性的塑料例如膠木做成。摩擦部分15不動地固定在壓電電動機(jī)轉(zhuǎn)子3的第二部分-套筒16上。在套筒16里安裝著壓電電動機(jī)轉(zhuǎn)子3的第三部分-轉(zhuǎn)軸17。轉(zhuǎn)軸17能在軸承4里轉(zhuǎn)動，在軸向上利用緊壓住它的可卸接頭5加以固定。對于工作壽命不是決定性參數(shù)的壓電電動機(jī)來說，轉(zhuǎn)子3的所有三個部分或者任何兩個部分的組合，用整塊的材料例如鋼制成。
徑向振動壓電振動器6相對于外殼7借助外殼7上的凹槽18固定，頂桿10的末端緊頂在凹槽里。只要徑向振動壓電振動器6與外殼7保持聲絕緣，使用其它方法，例如用彈性膠固定徑向振動壓電振動器，并不改變本發(fā)明的實質(zhì)。在本文闡述的壓電電動機(jī)里，徑向振動壓電振動器6與外殼7之間的聲絕緣是靠橡皮做的墊圈19來實現(xiàn)的。 了提高壓電電動機(jī)的工作壽命，頂桿10利用橡皮做的阻尼器20減振。制作阻尼器20的材料以液態(tài)(聚合反應(yīng)前)水滴狀滴到頂桿10上，包住頂桿10，再沿電極13的表面流開，此后該材料發(fā)生聚合反應(yīng)。
圖2示出按圖1中Ⅱ-Ⅱ線橫切的壓電電動機(jī)頂視圖。角α(圖2)由兩條切線構(gòu)成，一條切線是由頂桿10與摩擦部分15的接觸點所作的頂桿表面的切線，另一條是通過該接觸點所作的摩擦部分15的切線。如果每α值小于45°，則效率下降。如果角α值大于85°，轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)動力矩減小，這也將導(dǎo)致效率下降。角α應(yīng)該小于90°，處在85°至45°范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)頻率ω和轉(zhuǎn)動力矩M與角α的關(guān)系如下ω～ 1/(cosα) (2)M～cosα(3)角β是由在頂桿10的固定點所作的頂桿10表面的切線和經(jīng)頂桿10的固定端與轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)軸的直線構(gòu)成，它很少影響轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)頻率ω及轉(zhuǎn)動力矩M。
在圖3a、3b、3c、3d、3e、3g示出壓電元件當(dāng)固定在它上面的頂桿10的固定端與園盤12中心距離不同的各種情況，頂桿10的中線相對園盤12中線的偏移量h大于園盤12的厚度，這可使頂桿10作徑向位移。在這種情況下，可把頂桿10固定在園盤12的邊緣上，如圖3a、3b、3c、3g所示，也可固定在園盤12的中央部分，如圖3b、3e所示。這樣固定頂桿10，無論對轉(zhuǎn)子3包住頂桿10的低速壓電電動機(jī)的徑向振動壓電振動器6(圖3a、3b、3c)，或者對轉(zhuǎn)子3位于頂桿10中間的高速壓電電動機(jī)的徑向振動壓電振動器6(圖3d、3e、3g)都是可行的。當(dāng)頂桿10的固定點偏移時，以及頂桿10的長度改變時，可以改變轉(zhuǎn)子的直徑，從而對于某種規(guī)格的壓電元件9來說，擴(kuò)展壓電電動機(jī)轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)頻率范圍。在這種情況下，如果頂桿10明顯超出壓電元件9的邊沿，可用橡皮套管狀的阻尼器20套在頂桿末端實現(xiàn)其阻尼，如圖3a或3g所示。
圖4示出頂桿10固定在壓電元件9的兩個表平面上的壓電電動機(jī)。這相當(dāng)于把兩個按虛線分割的同樣的徑向振動器連接在一起。頂桿10固定在壓電元件9的兩個表面上，用來增加徑向振動壓電振動器6的體積，以此增大壓電電動機(jī)的軸上功率。
圖5示出完成電磁鐵功能的低速壓電電動機(jī)的實例。這里，借助凹槽18及帶有放在頂桿之間的凸緣21的花紋墊19固定徑向振動壓電振動器6。外殼7的可拆卸部分22(即軸承)依靠形似螺帽的可拆卸接頭5把凸緣21緊壓到壓電元件9上，固定住徑向振動壓電振動器6的角度位置。合置在一個零件里的套筒16及軸17，象外殼7的零件一樣，是用塑料壓鑄成的。這就有可能在套筒16上同時安排齒輪的齒23，和使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的偏心凸輪24以及與接觸對26相互作用的側(cè)面凸緣25。側(cè)面凸緣與接觸對26組成轉(zhuǎn)子3的狀態(tài)傳感器。
轉(zhuǎn)子3位于頂桿10之間的高速壓電電動機(jī)的實例示于圖6。這里，外殼7從兩邊包有敷金屬的膠木平板27和金屬蓋子28。金屬蓋通過彈性導(dǎo)電材料做的襯墊19，并通過頂桿10與壓電元件9的一個電極13有電連接。另一個電極13是用接觸方式壓在平板27的金屬化表面的。平板27金屬化表面上的引線2用以使電壓接入壓電電動機(jī)，這時，金屬化表面通過焊接與蓋子28有電連接。
圖7示出壓電元件9形似無孔園盤12的壓電電動機(jī)。這里，蓋子28借助凸緣與外殼7的平板27連接。蓋子28上的凹槽18從徑向固定住徑向振動壓電振動器6。在軸向上，徑向振動壓電振動器6依靠形似橡皮圈的墊圈19固定。為了固定轉(zhuǎn)子3，防止軸向移動，轉(zhuǎn)子3的軸17有環(huán)形溝槽，蓋子28的環(huán)形凸緣30正嵌入其中。
本文提出的壓電電動機(jī)工作如下外部交流電源的電壓通過引線2饋送到壓電元件9的電極上(外電源頻率應(yīng)等于或接近于徑向振動壓電振動器6(圖1)的縱的徑向振動諧振頻率之一)，在壓電元件里激勵起縱的徑向振動。這些振動通過聲導(dǎo)體11傳給頂桿10。頂桿10在壓電元件9的表面上發(fā)生移位，因此，在頂桿10與壓電元件9的固定點處，縱向聲振動先轉(zhuǎn)換為橫向聲振動;受到頂桿10末端的反射時，橫向振動重新轉(zhuǎn)換成縱向振動，在頂桿10里傳播起來。這些縱向振動相對于壓電元件9中的縱向振動偏移h值(圖3a)。這時已經(jīng)轉(zhuǎn)換的部分聲能仍然是橫向振動能量，但是大部分聲能成了縱向振動能量。選擇交流電壓源的頻率，使之接近于縱向振動的諧振頻率，可消除橫向振動對壓電電動機(jī)的影響。在頂桿10與轉(zhuǎn)子3的接觸區(qū)域內(nèi)，由于角α小于90°，會產(chǎn)生相對于轉(zhuǎn)子3的切向力，使轉(zhuǎn)子在軸承4中轉(zhuǎn)動。這個力經(jīng)過套筒16傳給軸17。如果壓電電動機(jī)沒有固定住，則定子1和轉(zhuǎn)子3將會反方向運(yùn)動。為了使定子1不轉(zhuǎn)動，它通過孔8被固定在制件上。轉(zhuǎn)子3中可能產(chǎn)生的力依靠轉(zhuǎn)子3軸線方向上固定軸17的元件，特別要依靠可拆卸的接頭5來均衡。因切向力而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)動力矩將使外殼7內(nèi)的徑向振動壓電振動器6旋轉(zhuǎn)，但這將受到凹槽18的阻擋。在頂桿10與轉(zhuǎn)子3接觸的區(qū)域內(nèi)，除了切向力以外，還產(chǎn)生交變力，在頂桿10中激勵起次諧波式彎曲振動，即頻率低于壓電電動機(jī)電源電壓頻率的振動。阻尼器20對阻尼彎曲振動作用很大，因為頂桿彎曲的柔韌性與阻尼器20的彈性是可比的。因此，阻尼器20沒有對頂桿10的縱向振動造成妨礙，卻可消除對壓電電動機(jī)壽命有負(fù)作用且能加強(qiáng)噪聲的次諧波的自激。當(dāng)頂桿10與電極13接觸時，頂桿10即與壓電元件9發(fā)生斷續(xù)接觸，頂桿10中的縱向振動變得不穩(wěn)定，并產(chǎn)生導(dǎo)致效率急劇下降的寄生次諧波振動。為了消除這個現(xiàn)象，頂桿10安裝時，要留出相對于壓電元件9表面的間隙14。選擇間隙14的大小時，要使得在撞擊和振動負(fù)載作用下以及在溫度的影響下，頂桿10與壓電元件9的表面沒有機(jī)械接觸。通常間隙14取在0.2毫米至0.3毫米范圍內(nèi)，并隨著徑向振動壓電振動器6的尺寸加大而增加。如果該間隙14值小于0.2毫米，則壓電電動機(jī)受到外界振動負(fù)載作用時，頂桿10及壓電元件9之間會有機(jī)械接觸，這會使噪聲增強(qiáng)。如果該間隙14值大于0.3毫米，則效率就會下降。
如果頂桿10的固定點沿著半徑從壓電元件的一端移向另一端，頂桿10中縱向振動的激勵機(jī)理不變。這時，如頂桿10繞固定點旋轉(zhuǎn)180°，縱向振動的相位改變，但這不影響，例如，壓電電動機(jī)的效率，如果頂桿10裝在壓電元件9的兩面(圖4)，壓電電動機(jī)的工作不變。頂桿10裝在壓電元件9的兩個平面上，壓電元件9的體積可增大到兩倍，并由此增大壓電電動機(jī)的功率，與此同時，將擴(kuò)大其消耗功率的范圍。
頂桿10固定在壓電元件9的一個平面上，有可能改變轉(zhuǎn)子3的直徑，而不必大范圍地改變壓電元件9的尺寸。這就有可能展寬使用給定壓電元件9的壓電電動機(jī)轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)頻率范圍。在這種情況下，頂桿10與壓電元件9連接的牢固性與壓電元件9的厚度無關(guān)，從而壓電元件9的厚度可取隨意小的值。由此可大大降低供電電壓和壓電電動機(jī)的消耗功率，擴(kuò)大壓電電動機(jī)消耗功率的范圍，從而擴(kuò)大它的應(yīng)用領(lǐng)域。安裝頂桿10時，留出相對于壓電元件9的間隙14，可保障壓電電動機(jī)的工作能力，消除噪聲并避免效率下降，從而確保擴(kuò)大轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)頻率范圍和擴(kuò)大壓電電動機(jī)的功率范圍。
做成帶有包住頂桿10的外部轉(zhuǎn)子3的壓電電動機(jī)(圖5)，可以得到相當(dāng)大的轉(zhuǎn)動力矩，該力矩將借助偏心凸輪24轉(zhuǎn)換成縱向力。這種電動機(jī)是力矩式壓電電動機(jī)，它們裝有側(cè)凸緣25這樣的末端開關(guān)，與接觸對26相互作用。這種電動機(jī)可用來代替電磁鐵。裝有齒23的壓電電動機(jī)可用作低速傳動裝置。
在走帶機(jī)構(gòu)中常使用高速壓電電動機(jī)。在這種電動機(jī)中，通過蓋子28(圖6)和墊圈19，并依靠電極13與平板27的敷金屬層的直接接觸進(jìn)行導(dǎo)電。
壓電元件9呈無孔園盤12狀的壓電電動機(jī)(圖7)可以用在兒童玩具中。由于有凸緣29的蓋子28的形狀便于迅速組裝定子1和轉(zhuǎn)子3，也由于環(huán)狀溝槽及環(huán)狀凸緣30能沿軸線方向固定轉(zhuǎn)子3，使得電動機(jī)的結(jié)構(gòu)很簡單。
因此，本發(fā)明在壓電元件9給定時，可擴(kuò)大轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)頻率范圍，并可擴(kuò)大壓電電動機(jī)的消耗功率范圍。
權(quán)利要求
壓電電動機(jī)包括定子1和與定子1摩擦配合的轉(zhuǎn)子3。定子有外殼7，在外殼7上裝有徑向振動的壓電振動器6。壓電振動器包括與轉(zhuǎn)子同軸安裝的圓盤12狀的壓電元件9和電極13，壓電元件被電極13垂直極化，還至少有兩個頂桿10，每個頂桿的一端都固定在壓電元件9上，而另一端頂在轉(zhuǎn)子3上，其特點在于每個頂桿10的一端以最小程度固定在壓電元件9的一個平面上，使壓電元件9與頂桿10之間留有間隙14。
全文摘要
壓電電動機(jī)包括定子1和轉(zhuǎn)子3。定子1有外殼7和裝在外殼7上的徑向振動壓電振動器6。振動器包括帶電極13的壓電元件9，和至少兩個頂桿10。每個頂桿10的一端以最小程度固定在壓電元件9的一個平面上，使壓電元件9和頂桿10之間留有間隙14，每個頂桿10的另一端頂在轉(zhuǎn)子3上。
文檔編號H02N2/00GK1031163SQ87105379
公開日1989年2月15日 申請日期1987年8月5日 優(yōu)先權(quán)日1987年8月5日
發(fā)明者弗拉迪米爾·S·維什涅夫斯基, 夫雅切斯拉夫V·拉夫列能科 申請人:十月革命50周年基輔工業(yè)大學(xué)