專利名稱：壓電電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動機，更確切地說，涉及采用了諸如壓電材料等電-機換能器的壓電電動機。
使用了壓電材料的一般超聲電動機，在“陶瓷”21(1986)，No1，第九頁至第14頁;“應(yīng)用物理”，54(1985)，No6，第589頁至第590頁中，以及其它刊物中已有所敘述。
最初制成的超聲電動機是振簧式的。這類超聲電動機是將壓電體的縱向振動轉(zhuǎn)變成振動簧片前端的橢園運動，由此帶動運動組合體(滑塊)運動(見“陶瓷”第10頁，

圖1)。
這種類型的超聲電動機具有一個薄的振動簧片，其前端面積很小，所以它一方面不能產(chǎn)生大的力矩，另一面又有易于磨損、壽命短的問題。
為解決耐久性問題，構(gòu)想了行波式超聲電動機(見“陶瓷”第10頁，圖3)。該類型超聲電動機是利用了這樣的事實，即當(dāng)彈性材料中產(chǎn)生了行波時，其表面粒子都進(jìn)入橢園運動，這同振簧式超聲電動機是類似的，二者都是由橢園運動造成的摩擦而驅(qū)動的。
另一方面，行波是由迭加例如二個在時間和空間相位上分別相差π/2的駐波而產(chǎn)生的。在直線電動機的情況中，為了消除彈性體邊界反射波的效應(yīng)，將彈性體的端部曲化(見“應(yīng)用物理”54卷No6(1985)，第589頁，圖1)，使行波在表面上形成一個園，或者將消振器安裝在其端部(見同一刊物第590頁，圖4)。旋轉(zhuǎn)電動機是由在一個環(huán)上迭加的兩個駐波而構(gòu)成的(見同一期雜志第590頁，圖7)。
與振簧式超聲電動機相比，行波式超聲電機具有增大的接觸面積，所以提高了耐磨性。
在上述行波式超聲電動機中，雖然比振簧式有較大改進(jìn)，但帶有激發(fā)行波的彈性體仍與作為運動組合體的滑塊直線接觸。接觸面積小不僅造成耐磨性差，還因滑塊或等同物的彈性奇變而導(dǎo)致驅(qū)動力的降低及低輸出效率。
為解決這個問題，JP-A-61-102177和JP-A-61-203872公開了一種裝置，該裝置具有一個彈性材料制成的滑塊，為增大驅(qū)動力，它可形變以增大接觸面(圖13)。然而，由于滑塊的彈性形變所引起的能量損失降低了效率。而且，隨著至波前的距離，彈性體表面粒子垂直于滑動表面的速度分量，即橫波分量增加，而提供推力的縱波分量卻極巨減小。因此，推力沒有顯著地增加。
在驅(qū)動行波式超聲電動機的過程中，橫波的振幅相對于滑動塊和彈性體的表面粗糙度，必須足夠大。為此，幾伏特以上的電壓施加于旋轉(zhuǎn)型超聲電動機的壓電體，幾百伏施于直線型的壓電體，以激發(fā)行波。另一方面，縱波與橫波的振幅比對于每一彈性體是固定的。其結(jié)果，每一激發(fā)周期的距離約為一微米，這基本是電動機用作微動機構(gòu)時所獲得的位置精度的程度。
如果為了增大速度，將施加于壓電體的電壓增大，那么對滑塊運動速度沒有貢獻(xiàn)的橫波振幅就增大，從而增加了能量的損耗。
一般來說，超聲電動機的激發(fā)頻率為幾十千赫，波長為幾厘米。該波長是縮小超聲電動機體積的最大難關(guān)。特別是在直線電動機的情況中，為降低反射波的影響，上面所述的彈性體曲端面結(jié)構(gòu)，要求相對于該波長有足夠大的曲率半徑，這就無法進(jìn)一步縮小體積。
直線電動機具有安裝在金屬棒兩端的換能器。但激發(fā)不是產(chǎn)生于金屬棒的諧振頻率，所以就需要有大的強激發(fā)機構(gòu)(“陶瓷”21，(1986)No1)。如果要吸收行波并實現(xiàn)往復(fù)運動，在兩端都要有激發(fā)機構(gòu)。這就很難縮小體積，而且大而強的激發(fā)機構(gòu)還會造成更大的能量損耗。
波長大不僅是縮小體積的難關(guān)，而且還導(dǎo)致滑塊與換能器之間的大接觸面積不牢固的缺點。上述直線電動機使用變形波來縮短波長，該波波長例如，43毫米，且具有6平方毫米載面的鋁棒，以27千赫激發(fā)。波長由λ＝2π(EI/ρA)1/4ω-1/2給出，(E揚氏模量，A;載面積，ρ密度，I面積第二力矩)。因此，例如波長不會減小一半，除非換能髟孛婊齟 6倍。所以增加與滑塊相接觸的波前數(shù)目絕非易事。
為改進(jìn)彈性波的傳播效率，用硬鋁(杜拉鋁)或類似的高揚氏模量材料制作上述換能器或彈性體。從輸出效率來看，這大大地限制了用制做與彈性體相接觸區(qū)域的材料。
本發(fā)明的目的是解決上述問題，或具體地說是通過增大運動組合體(滑塊)與定子之間接觸面積來改善驅(qū)動力和輸出效率。
本發(fā)明另一目的是提供可任選運動速度和最小覆蓋距離的電動機。
為達(dá)到上述目的，先看一下超聲電動機原理。
運動組合體(滑塊)由彈性體(換能器)表面粒子的橢園運動來推動，該彈性體中縱向波迭加在橫波上。
推力產(chǎn)生于沿縱波運動方向的往復(fù)運動。如果彈性體保持與運動組合體的接觸，推力并不是在單一方向上的。因此，只有在縱波僅在一個方向上具有速度分量時，彈性體才在橫波的往復(fù)運動作用下與運動體接觸。
高性能的超聲電動機可通過單獨優(yōu)選這兩個功能來實現(xiàn)。具體說，上述目的可用兩個分別具有縱波與橫波功能的部件來達(dá)到。
駐波，例如由壓電體或類似物在運動組合體中激發(fā)的，這種駐波是一種橫波。適于與駐波同步沿運動體運動方向作往復(fù)運動的壓電體安置在每個最大振幅或零振幅位置上。該壓電體的往復(fù)運動提供了電動機的推力。
圖1是示意圖表示本發(fā)明一實施例的壓電電動機的結(jié)構(gòu)。
圖2是圖1的局部放大圖。
圖3至圖5是示意圖，表示本發(fā)明另一實施例壓電電動機的結(jié)構(gòu)。
圖6至圖7是表示施加的電壓與速度之間的關(guān)系的圖。
圖8是示意圖，表示本發(fā)明又一實施例壓電電動機結(jié)構(gòu)。
圖9是圖8由線Ⅸ-Ⅸ切開的剖面圖。
圖10至圖12是示意圖，表示本發(fā)明又一實施例的壓電電動機結(jié)構(gòu)。
圖13是示意圖，說明一般表面波電動機的工作原理。
圖14和15是示意圖，表示本發(fā)明又一實施例的壓電電動機結(jié)構(gòu)。
下面參照圖1和圖2來講解本發(fā)明的一個實施例。
零電位板4上安置有帶振子1和壓電體2、3的運動組合體。壓電體也可稱為壓電致動器。振子1由壓電材料制成按圖中箭頭方向極化。壓電體2、3也按圖中箭頭方向極化。振子1在其上表面有零電位電極8。另一方面，振子1的下表面上有與交流電源5相連的電極7。而且，電極6與電極7相絕緣地安在電極7的下表面。電極通過放大器9和移相器10與交流電源5相連接。
交流電源5以相同于極化的方向向振子1提供電壓。振子1受激勵的頻率，其縱向振動的半波長與振子1的長度相一致(壓電體2、3的極化方向)，這是主諧振，零振幅(波節(jié))在振子1的兩端，最大振幅(波腹)在中間。壓電體2、3安置在波節(jié)和波腹的位置上，并由電極6的電壓沿垂直于極化的方向施加電場，從而重復(fù)切變。壓電體2和3的厚度相應(yīng)于振子1的長度足夠小，因而，在低于壓電體2、3的諧振頻率的頻率上工作。
移相器10調(diào)整電極6與電極7電壓之間的相差，以獲取下述的振動條件。
當(dāng)振子1的翹曲僅使壓電體3接觸到板，而壓電體2懸著時，由振子看去的壓電體3的下表面粒子的速度分量是與極化方向相反的。其結(jié)果，包括振子和壓電體的運動組合體沿圖1中所示正方向P運動。
另一方面，當(dāng)僅壓電體2接觸板，運動組合體仍沿同一正方向運動，因為壓電體2是與壓電體3反方向極化的。
圖2表示了僅壓電體3接觸到板的情況。膠合劑11用來將振子1和壓電體2、3及相互絕緣的電極6、7粘在一起。而且，適當(dāng)彈性基本吸收于振子1在該部位的變形。高剛度的壓電體3基本不變形，所以其下表面的整個區(qū)域都與板相接觸。
改變電極6的電壓大小可以改變運動的速度，這可由變化放大器9的增益來簡單地實現(xiàn)。電極7電壓大小由負(fù)載大小和板或類似物的表面粗糙度來決定。
當(dāng)要反轉(zhuǎn)運動方向時，由移相器10將相位錯開180°，從而使運動組合體反方向運動。
根據(jù)采用振子諧振模的本實施例，用低電壓可在垂直于板表面的直線方向上獲得大的位移。也可以變化激勵頻率來逆轉(zhuǎn)運動方向。如果考慮到縱向振動和切向振動，正確地選擇振子1的長度和壓電體2、3的厚度，就可獲得振子1和壓電體相同的諧振頻率，從而在諧振狀態(tài)中使用它們。
該實施例，將之諧振與切變相結(jié)合，實現(xiàn)了很緊湊的直線電動機。長度為2.5厘米的直線電動機可由近60千赫的激勵頻率來驅(qū)動。
改變壓電體2、3的極化方向可改變運動方向。圖3表示包括沿振子短邊極化的壓電體2、3的實例。運動組合體沿與振子的振動垂直的方向運動(正方向P)。
如果將上述兩種直線電動機結(jié)合，就獲得了可二維運動的電動機。而且，圖4所示結(jié)構(gòu)減少了電動機的尺寸。
產(chǎn)生驅(qū)動力的電壓體沿垂直于板面的直線方向極化。電極35和12附在壓電體的兩個側(cè)面上，其余四個側(cè)面都保持零電位。在圖1中施加于電極6的電壓也同樣施加于電極35，從而驅(qū)動運動組合體沿振子的縱向運動，如果電壓施加到電極12上，它就沿其短邊運動。
除非壓電體2和3用于沿振態(tài)，原則運動速度就大受限制。圖5表示了可產(chǎn)生高運動速度的實施例。
多個壓電體13固定在振子1的下表面端。每個壓電體中間分成的左右兩部分，極化方向相反，并在中間和端部接觸板4。電極6沿極化方向施加電場。為了以低電壓同時獲得大位移和適當(dāng)?shù)膹椥?，每個壓電體被切成薄形。
該裝置與圖1方式一樣與電源相連。圖6、圖7表示施加的電壓與速度的關(guān)系。電動機包括由長25毫米，寬6毫米的壓電板制成的振子1。壓電體13具有與振子1相同的大小，分為極化方向相反的左右兩部分。薄瓷板附在體13與板4接觸的三個部位上。加在振子1上的電壓記為V1，加在壓電體13上的電壓記為V2。
現(xiàn)講的實施例是單形結(jié)構(gòu)，如果是雙形結(jié)構(gòu)，就可以以更低電壓工作。
除了上述實施例采用振子1的立振模擬外，還可將壓電體安置在二次和高次振動模的最大振幅位置上。如果將一負(fù)載固定在振子波節(jié)上，即振子上表面的零振幅位置，在工作中振動對負(fù)載的影響最小。
上述振子表示成了僅包括一個壓電體的形式，以利于理解。如果使用的振子包括附有一般金屬板的薄壓電板上，那么，機械強度會改善。
現(xiàn)在，講述旋轉(zhuǎn)電動機的應(yīng)用。
圖8和圖9表示具有可高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電動機的構(gòu)造。圖9是圖8沿Ⅸ-Ⅸ線切后的放大剖面圖。
與上所述振子有相同結(jié)構(gòu)的矩形振子14、15固定在定子22的兩端(定子22有適當(dāng)?shù)膹椥?。具有其中心與這些部件中心對準(zhǔn)的、成盤形的轉(zhuǎn)子21，由適當(dāng)?shù)牧Ρ豢吭趬弘婓w17和18上。壓電體17和18適于在電極19的電位作用下向邊緣方向位移。壓電值17、18的一端固定在振子上，另一端與轉(zhuǎn)子21接觸。具有充分彈性的彈性體20插在壓電體17、18和振子之間。
振子14和15都處于主諧振態(tài)，相位相差180°。壓電體17和18適于在相位上與振子14和15超前和遲后90°，從而推動轉(zhuǎn)子21旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子21的旋轉(zhuǎn)中與壓電體17、18接觸轉(zhuǎn)子的表面對準(zhǔn)，位移方向垂直于對準(zhǔn)直線。具有充分可變性不影響壓電體變化的彈性體20，對于壓電體和轉(zhuǎn)子的表面接觸給予適當(dāng)?shù)拇怪弊枇?。而且，如果要增大力矩，可安裝彼此相隔90°的4個振子并由其的4個壓電體驅(qū)動。只要振子14和15是由彈性材料模壓成的雙形振子，就可以低電壓工作。
圖10表示一個旋轉(zhuǎn)電動機的實施例，它利用了收/擴一個環(huán)的切變。
一個由壓電體制成、沿徑向極化的環(huán)形振子22和安在最大振幅處的4個壓電體23構(gòu)成了一個定子，其外周與受彈簧拉力作用的轉(zhuǎn)子24接觸。振子22的外周邊為零電位，振子22和壓電體23受到電極25、26和27沿徑向的電場作用。4個電極25、26可使振子中適于產(chǎn)生次駐波。壓電體23受到與次駐波相差90°的切變。這些操作驅(qū)動轉(zhuǎn)子24。
在上述各實施例中，產(chǎn)生駐波的振子和產(chǎn)生驅(qū)動力的壓電體是由壓電部件電收縮部件構(gòu)成的。然而，將縱向和邊緣位移與切變相結(jié)合就可由一個壓電體來取代它們。這樣的實施例表示在圖11和12中。
電極29和30安置于壓電體31上，并分別受到平行和垂直于圖中箭頭所示極化方向的交變電場作用。例如，如果該裝置的下表面固定的很牢，其上表面的粒子與交變電場彼此相位錯開90°，作橢園運動。其結(jié)果，運動組合體如振簧型超聲電動機中的情況一樣被帶入運動。如果考慮頻率常數(shù)正確地選則壓電體31的大小，該裝置用于縱方和橫向的諧振狀態(tài)中。此外，如果沿極化方向安置一個條形彈性體，并將壓電體沿縱向的諧振狀態(tài)與彈性體的橫向諧振狀態(tài)結(jié)合，就可在彈性體的前端表面上激發(fā)一個大的橢園運動。
圖12表示由一個環(huán)形壓電體32所實現(xiàn)的圖10旋轉(zhuǎn)電動機。
電極33、34用于向壓電體32施加電場，從而使壓電體經(jīng)受切變。電極33為零電位，電極34受交變電壓作用。另一方面，電極25的電壓比交變電壓相位差90°，電極26的電壓比電極25的電壓相位差180°。環(huán)形壓電體32的外周是零電位。轉(zhuǎn)子23具有適當(dāng)?shù)膹椥圆⑴c壓電體32大面積地接觸。壓電體32外周上的粒子由于切變在大區(qū)域上有沿園周方向的速度分量，所以，象前述實施例一樣可產(chǎn)生大的驅(qū)動力。
在上述各實施例中，定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸區(qū)最好用高摩擦系數(shù)和耐磨性的材料，且具有小的因彈性變形等引起的能量損耗。
圖14、15表示的情況是利用多層壓電裝置42、43的位移代替壓電體的切變來產(chǎn)生電動機的驅(qū)動力。多層壓電部件43安裝在垂直于頁面位置上，其一端部與一板固定，另一端與塊45固定。另一方面，多層壓電部件43雖沒表示在圖14中，可以類似方式安裝在垂直于多層壓電部件44的位置上。多層壓電部件41安裝在垂直于前述兩壓電部件的位置上。這三個部件有大體相同的諧振點。
這此部件受多層壓電部件41諧振頻率的三角波驅(qū)動。由交流電源46提供的三角波分別經(jīng)放大器47、48和49被放大到所需電壓，用于多層壓電部件41、42和43。如果通過移相器50使部件41、42以適當(dāng)角度延遲三角波，就可使這些部件振動，例如，彼此相差90°相位。其結(jié)果，塊45在頁面上作橢園運動，并在某方向上激勵其余部分51，從而在圖的橫向上產(chǎn)生驅(qū)動力。以類似方式驅(qū)動部件41和43，就可在垂直于頁面的方向上獲得驅(qū)動力。
如果在板44的4個角上都安有一個由這種結(jié)構(gòu)的三個多層壓電部件組成的三角架，板44就可相對于靜止部分51做直線或旋轉(zhuǎn)運動。
根據(jù)本實施例，產(chǎn)生驅(qū)動力的振動和控制摩擦力的振動都是諧振狀態(tài)的，所以能量轉(zhuǎn)換效率高。具有較為同一特性的多層壓電部件可在市場上購買，要特別注意選擇用有相同諧振點的多層壓電部件來構(gòu)造三角架。此外，如果縮短部件42和43，提高諧振頻率，就可省去移相器50。
由前述可知，本發(fā)明使運動組合體和定子彼此以大面積接觸，壓電體表面粒子沿驅(qū)動方向有均勻的速度分量，這就使得所產(chǎn)生的大摩擦力基本防止了強壓下的打滑和變形。其結(jié)果，獲得了大的驅(qū)動力和高輸出效率以及持久的耐磨性。
見于一個周期所限定的距離是可任選的，本發(fā)明超聲電動機很適于作微米定位機構(gòu)。
駐波的使用大大縮小了直線電動機的體積。
另一方面，由于運動組合體和定子之間接觸區(qū)域的材料的可選性，才創(chuàng)出了高效率。
權(quán)利要求
1.壓電電動機，其特征為包括有一個定子，一個滑塊；一個安置用于由激發(fā)駐波的定子和滑塊之中選出替之上的振子；以及多個壓電致動器，插置在振子與不帶振子的定子、滑塊中選出的一個之間，壓電致動器隨駐波同步變形，從而產(chǎn)生驅(qū)動力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電電動機，其特征為滑塊是板式振子，壓電致動器安在滑塊下表面對應(yīng)于駐波波腹和波節(jié)的部分上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述壓電電動機，安在振子下表面的壓電致動器受切振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述壓電電動機，其特征為其中每個壓電致動器是沿振子厚度極化的長方體(rectangnlar parallelopip-ed)，在長方體的兩個相鄰側(cè)面各面上安一個電極，其余四面保持零電位，在兩相鄰面的一個給定電極上加上正弦電壓，從而選擇振子的縱向運動和橫向運動之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電電動機，其特征為滑塊是其下表面端固定有壓電致動器端的板狀振子，壓電致動器是板狀的，沿振子長度排列，沿振子厚度方向極化，并且有與定子接觸的中間部分和端部，壓電致動器其中部的左右兩側(cè)極化方向相反。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述壓電電動機，其特征為連接振子與壓電致動器的連接劑具有絕緣性和彈性特點。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電電動機，其特征為定子包括一個壓電材料制成的、沿其徑向極化的環(huán)形振子和安在振子最大振幅位置上的多個壓電致動器，滑塊是呈環(huán)狀的，在彈簧作用下與定子外周相接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電電動機，其特征為由定子、滑塊中選或是加有分別平行和垂直于極化方向的交變電場的長方體壓電致動器，產(chǎn)生同步的縱向振動和切變，從而產(chǎn)生驅(qū)動力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電電動機，其特征為定子包括有一個沿其徑向極化的單一環(huán)形壓電致動器，且分為四部分，分別受到平行和垂直于極化方向的交變電場作用，產(chǎn)生同步的縱向振動和切變，從而使在彈簧張力作用下保持于定子外周接觸的環(huán)形滑塊旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明創(chuàng)造了一種高性能的壓電電動機，它包括一個帶板狀振子的滑塊，振子內(nèi)可激發(fā)駐波，以及多個壓電致動器，安在振子的下表面對應(yīng)于駐波的波腹和波節(jié)部分，易于與駐波同步變形。
文檔編號H02N2/16GK1032272SQ8810688
公開日1989年4月5日 申請日期1988年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月25日
發(fā)明者高田啟二, 細(xì)木茂行, 保坂純男, 菰田孜 申請人:株式會社日立制作所