CN100502074C - 压电超声马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电超声马达，其具有长度为L、高度为H的压电板形式的振荡器、以及一个或两个被设置在振荡器上并相对于待运动部分的摩擦表面弹性挤压的摩擦元件。按照本发明，压电板被垂直于大表面延伸的截面分成两个相同的部分，至少一个所述部分包括不对称声学驻波的不对称发生器，该发生器在被激励后生成不对称两维驻波，使得设置在板长端面中央的摩擦元件进行相对于端面倾斜的运动，从而运动能被传递到待运动元件。

Description

压电超声马达

技术领域

本发明涉及线性旋转压电超声马达。本发明可用作设备技术的通常定位系统及精细定位系统中的电动马达。

背景技术

从美国专利US-PS 5672930中已知带有金属谐振器的压电超声马达，其中压电元件被粘附在金属谐振器上。已经发现以下事实是不利的，即由于金属谐振器和压电元件的热膨胀系数不同，不可能用这些马达实现高机械功率。而且，金属谐振器是被动体(passive body)。为了实现高速运动，需要借助于相对高的电压激励压电元件。这些缺点降低了马达操作的可靠性，并因此限制了这样的马达的应用领域。

除了上述压电马达之外，已知具有单块压电陶瓷板形式的声波谐振器的初级(primarily)压电超声马达，在其小端面处设置碰撞元件(impact element)。这里参考例如US-PS 5453653或US-PS 5616980。在压电陶瓷板的大表面上，设置声学驻波发生器，其同时感应驻弯曲(standing bending)和纵波。由于两个波叠加，碰撞元件经历椭圆运动，该椭圆运动将运动能传递给待移动的元件。

借助该类型的马达，发现以下事实是不利的，即弯曲波被用作能量传递波，其包括与发生器的低机电耦合系数。在马达效率减少中以及在限制它们的功率中，低耦合系数导致谐振器激励电压的显著增加。利用这样的马达，不可能通过增加谐振器的尺寸来增加马达的机械功率。压电陶瓷板长度的增加使谐振器的共振频率逐步降低，其结果是其比功率的减小。例如，按该原理构造的来自Messrs Nanomotion的标准超声马达仅包括一个压电陶瓷板作为谐振器，其机械功率约为0.4W。对于增加，可达8个这样的压电致动器(piezoactuator)被设置在外壳中(参看http://www.nanomotion.com/In2000index.html上的公司介绍册)。该措施使得驱动的整个构造更复杂并降低了它们的可靠性。

此外，这样的马达包括激励电极的复杂系统，其要求借助于交叉对角焊接的导体的电连接。这进一步降低了马达的可靠性，因为超声波的应用经常导致导线脱离压电板。

另一个要提到的缺点是在这样的马达的构造中的操作不方便。谐振器或致动器的纵轴必须与待移动的元件垂直地设置。该结构导致其中采用马达的驱动系统的尺寸增加，并使得构造中的操纵复杂。

发明内容

因此，本发明的目的是消除上述马达的所有上述缺点，同时实现马达激励电压的降低、机械功率和可靠性的增加、马达设计的简化、制造成本的减少和马达构造中操纵的改进。

所指出的目的是这样解决的，即在带有长度为L、高度为H的压电板形式的振荡器以及一个或两个被设置在振荡器上并相对于待移动元件的摩擦面弹性挤压的摩擦元件的压电超声马达中，所提到的压电板被垂直于大表面延伸的截面分成两个相同的部分，其中至少一个部分包括不对称声学驻波的不对称发生器，其在激励后生成不对称两维驻波，使得被设置在压电陶瓷板长端面中央的摩擦元件以相对于划分面相同的倾斜执行运动，从而运动能被传递到待移动元件。

而且，压电振荡器可包括两个不对称声学波的不对称发生器，其相对于划分面不对称地设置，用于反转待移动部分的运动，使得在它们选择性激励后，摩擦元件的运动路径和划分面之间的角度改变它们的符号，这导致驱动待移动元件的力改变方向。

附图说明

将在下面参考实施例和附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出本发明马达的主要改进；

图2示出振荡器的构造；

图3示出具有激励源的振荡器的电路；

图4示出振荡器的电气输入阻抗的振幅-频率响应；

图5示出振荡器共振频率与振荡器长度的关系；

图6示出振荡器的形变；

图7示出振荡器长端面处点的振幅和运动路径；

图8是马达工作的解释性图示；

图9示出二级振荡器的构造；

图10示出具有激励源的二级振荡器的电路；

图11示出三级振荡器构造；

图12示出具有激励源的三级振荡器的电路；和

图13示出本发明马达的最重要的特征。

具体实施方式

本发明的压电超声马达包括设置在外壳2内的压电振荡器1、和要与附在其上的摩擦带4运动的元件3(参考图1)。具有摩擦元件5的压电振荡器1借助于压力元件4相对于摩擦带4被弹性地激励。待运动元件3被固定在马达外壳2中的支承座7上，从而其可以在箭头8所指的方向上运动。

在图2中，项9、10分别是振荡器1的平面图和底视图。振荡器1被配置为长度为L、高度为H、宽度为B的压电板11，并被划分面12分成两个相同的部分13、14。

划分面12通过振荡器长度L的中央，并垂直于振荡器的大边15。划分面12的迹线16由振荡器1上的虚线指示。一个或两个摩擦元件5(图中未示出)被设置在振荡器长度L中央的压电板的长端面17上。

在所考虑的本发明马达的一个改进中，振荡器1的部分13包括不对称声学波的不对称发生器18。不对称发生器由设置在极化压电板11的大表面15上的激励电极19和公共电极20形成。板11的极化是垂直于电极实现的，并且例如在图1中通过箭头示出。

发生器18的不对称特征是由于其相对于划分面12的不对称位置，以及在其激励后在振荡器中生成不对称两维驻波。波可以是一阶、二阶、或更高阶的。振荡器的长度对于高度和激励波的级次具有下面的关系：L＝K＊H＊n。K是取决于压电陶瓷材料宽度或类型的系数。K≈0.5÷1。n是波的阶数。N＝2，3，4，...

在马达的这种改进中，振荡器1的部分14可包括第二自备的不对称声波的不对称发生器21，其包括激励电极22和公共电极20。

图3示出带有振荡器1的激励源23的电路。电路图包括切换开关24，其中通过该切换开关，源23被电连接到第一发生器18或第二发生器21。

图4示出由Messrs PI Ceramic GmbH的压电陶瓷材料制备的尺寸为60×26×9mm³的振荡器1的电气输入阻抗的振幅频率响应。共振点25指示共振频率f₀，其对应于一阶不对称驻波。

图5示出在恒定的振荡器长度与振荡器高度比L/H＝2.25以及恒定的振荡器长度与振荡器宽度比L/B＝6的情况下，振荡器共振频率f₀(图4中共振点25)与振荡器长度L的关系。

图6中项26、27、28、29示出振荡器1的板11在一阶不对称驻波激励后的变形。

图7示出在一阶不对称驻波激励后压电板11的长端面17处点的振动幅度(项30)以及运动路径(项32)。

项33表示碰撞元件设置在其中的区域。

图8解释本发明马达的功能。该图示出长端面17处点34的运动路径32和摩擦元件5的点36的运动路径35。

图9中项37、38示出振荡器1，其中二阶不对称驻波被激励。在该情形中，发生器18、21包括两个电极19、22，其分别以L/4的距离被设置在振荡器部分13、14上。

图10示出具有电激励源23的本发明马达的振荡器1的电路。

图11中项39、40示出本发明马达的另一有利构型改进，其中在振荡器1中激励三阶驻波。在该情形中，发生器18、21包括三个激励电极19，其分别以彼此间隔L/6的距离设置在振荡器部分13、14上。

图12示出本发明马达的这个改进的振荡器1的电路，其具有电激励源23.

图13示出本发明马达的最重要的特征，其振荡器尺寸为60×26×9mm³，由Messrs PI Ceramic GmbH的压电陶瓷材料PIC 181制成。项41示出机械瓦特-力特征，项42示出速度-力特征，而项43示出频率-力特征。

参考马达考虑操作，其中在其振荡器1处，激励一阶不对称驻波，即具有最小长度L≈2H的振荡器。

为了操作马达(图3)，交流电压由电激励源23施加到激励电极19和公共电极20。电压的频率f₀对应于振荡器的共振频率，其中在该频率处可激励不对称驻波(参看图4)。进一步指出，f₀取决于振荡器的几何尺寸而与压电陶瓷材料的类型无关。

图5示出对于由压电陶瓷材料PIC 181制成的振荡器，在恒定的振荡器长度L与振荡器高度H比率L/H＝2.25以及在恒定的振荡器长度L与振荡器宽度B比率L/B＝6时实验记录的共振频率f₀与振荡器长度L的关系。对于该关系，振荡器长度和共振频率的乘积L＊f₀是常数，其在本情形中为3911kHz＊mm。该常数可用来为振荡器1的任何尺寸的压电陶瓷板11确定不对称驻波的共振频率f₀。由于在图4中在共振频率f₀附近不存在其他共振，所以可以得出：该常数唯一地限定不对称驻波的频率。

在振荡器1的板11中不对称两维驻波激励后，板变形，如图6所示。以四分之一振荡器振动周期的时间间隔示出四个变形相(项26、27、28、29)。

振荡器板11的不对称变形出现在相对于划分面12长端面上点的振动幅度沿振荡器长度的不对称发布。图7中项30示出X和Z方向上的振动幅度。点沿项32中所示的路径31运动。运动路径31是直线，其根据位置而与振荡器端面17形成不同角度，且它们相对于划分面12不对称地定位。沿振荡器长度的振幅发布的不对称性、以及由其导致的运动路径的空间位置不对称性是由在振荡器中激励的驻波的不对称性导致的。

设置在中央区域33中的摩擦元件5沿相对于划分面12倾斜的直线31(35)振动(参看图8)。在其向待移动元件3运动时，在摩擦元件5和摩擦带4之间生成力F₀，其可被分解为法向分量F_n和切向分量F_t。法向分量负责摩擦力，其中由于该摩擦力，切向分量F_t被传递到待运动元件3。摩擦元件5传递力脉冲(force impulse)至待移动元件，因此后者产生运动。在摩擦元件5返回运动期间，力F₀消失。摩擦元件5和待运动元件3之间的摩擦力消失。由于惯性，待运动元件3继续其运动，直到下一次碰撞。运动方向在图8中用箭头指示。

在开关24切换后，主动(active)发生器相对于划分面12的位置改变。这导致振荡器1的图案变形被镜像(mirror)。X和Z方向上的振幅在振荡器的中央区域33中不改变。仅仅两个分量之间的相位改变180度。该区域中点的运动路径和划分面12之间的角度改变符号。这导致待运动元件3的反向运动。

其中激励二阶、三阶和更高阶(参看图9，10，11，12)的不对称驻波的振荡器1在其中央区域中具有类似于1级振荡器的形变。使用这种振荡器的马达具有类似的操作模式。

图13中的项41、42、43示出本发明超声马达的最重要的特征，其中具有由压电陶瓷材料PIC 181制成的尺寸为60×26×9mm³的振荡器马达。转子的最大速度为600mm/s，最大力为50N，且最大机械瓦特为15W。马达的最大效率约为20％。电激励电压为200V_eff。

与按照US-PS 5616980由Messrs Nanomotion制造的型号HR8的超声马达相比，所述马达实施例提供两倍的转子运动速度、以及1.6倍的力。振荡器中的场强度近似为Messrs Nanomotion的马达的四分之一。本发明实施例仅包括三条连接线，而HR8马达的数目为40。这例如极大地提高了本发明马达的可靠性。

本发明马达的制造非常简单，这导致相当低的制造成本。而且，马达配置的实现更简单。

附图标记列表

1 压电振荡器

2 外壳

3 待运动的元件(转子)

4 摩擦带

5 摩擦元件

6 压力元件

7 支承座

8 运动方向箭头

9 1级振荡器的平面图

10 1级振荡器的底视图

11 振荡器1的压电板

12 划分面

13 振荡器1的部分

14 振荡器1的部分

15 振荡器1的大表面

16 划分面12的迹线

17 长端面

18 自备的不对称声学驻波的不对称发生器

19 发生器18的激励电极

20 公共电极

21 第二不对称声学驻波的不对称发生器

22 发生器21的激励电极

23 振荡器1的激励源

24 切换开关

25 共振点

26 振荡器形变

30 板11的长端面17处点的振幅分布

31 板11的长端面17处点的运动路径

32 板11的长端面17处点的运动路径

33 碰撞元件5的区域

34 板11的端面17处的点

35 摩擦元件5处点36的运动路径

36 摩擦元件5的点

37 2级振荡器1的平面图

38 2级振荡器1的底视图

39 3级振荡器1的平面图

40 3级振荡器1的底视图

41 特征机械瓦特-力

42 特征速度-力

43 特征效率-力

Claims (2)

1.一种压电超声马达，具有长度为L、高度为H的压电板形式的振荡器以及一个或两个设置在振荡器上并相对于要被运动的部件的摩擦面弹性挤压的摩擦元件，其特征在于，所述压电板被垂直于大的表面延伸的截面划分成两个相同部分，其中至少一个所述部分包括不对称声学驻波的不对称发生器，其在激励后生成不对称两维驻波，使得设置在板的长端面中央的摩擦元件进行相对于端面倾斜的运动，从而运动能被传递到要被运动的元件。

2.如权利要求1所述的压电超声马达，其特征在于，

压电振荡器包括两个不对称声学波的不对称发生器，其相对于所述截面对称地设置，用于使要被运动的部件的运动反向，使得在它们选择性激励后，划分面和摩擦元件的运动路径之间的角度改变符号，这导致驱动要被运动的元件的力改变方向。

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