CN101015113A - 具有空心圆柱形压电振荡器的可小型化的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可小型化的电动机(1)，包括一个由空心圆柱形压电振荡器(2)驱动的转子(12)。所述转子有效地连接于压电振荡器的摩擦面(13)，而一个主电极或反电极(3)和激励电极(4、5、6)设置在空心圆柱体的表面上。空心圆柱形的压电振荡器是由带有三方晶系的单晶材料制成的，其具有彼此以120°角度设置的三个主电轴以及一个光轴。所述光轴沿着电轴的交叉点包括90°的角度，同时与空心圆柱形压电振荡器的纵向轴重合。此外，各个激励电极的轴向对称轴与其中一个主电轴交叉，而所述轴向对称轴平行于光轴延伸。

Description

具有空心圆柱形压电振荡器的可小型化的电动机

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的可小型化的电动机，它具有由空心圆柱形压电振荡器驱动的转子，其中转子有效地连接于压电振荡器的正面的摩擦面，且具有主电极或反电极以及设置在空心圆柱体表面的激励电极。

分别带有复合振荡器的压电电动机或超声波电动机属于现有技术，其中复合振荡器通过例如根据US-PS4965482的特殊的螺钉连接。这种电动机的构造复杂且需要很高的技术开销，这构成了对于所希望的小型化的障碍。

该现有技术还包括带有金属的圆柱形振荡器的压电超声波微型电动机，板形的压电元件粘附在其上。这种电动机构造的缺点在于，连接压电元件与谐振器的粘合剂会在操作过程中变软。这反过来导致振荡器的激励等级降低且相应地导致机械功率的降低。由于这些缺点，这种电动机不能以可能的最大激励振幅操作。这反过来使可靠性降低并限制了关于实际生产的电动机的应用可能性。作为实例，参考公开文献IEEE学报，Ultrason.(超声波)，Ferroelect.(铁电)，Freq.Contr.(频率控制)，第49卷，第495到500页，2002年4月。

在根据US-PS5872418的压电超声波电动机中，振荡器整体上由压电陶瓷材料构成。这种实施方式的缺点是，实际的小直径的压电振荡器的压电陶瓷具有高脆性。在现有技术中，这些电动机不能以小于3mm的直径制造，另一个问题是要保护振荡器的摩擦面，它仅具有很小的尺寸以应对不可避免的磨损。在摩擦面上敷设金属层或玻璃层时，对于直径＜6mm的振荡器，遇到相当多的技术问题，这导致较高的制造成本。如果省去摩擦面的涂层，电动机的寿命将因此缩短。

基于上述，因此本发明的目的是指定一种可小型化的电动机，它具有由空心圆柱形压电振荡器驱动的转子，其中转子有效地连接于压电振荡器的正面的摩擦面，它可以经济地通过简单的制造工艺大量生产，并且这种电动机的寿命和长期稳定性满足了实际需要。

本发明的目的是通过根据权利要求1的特征的可小型化的电动机来解决的，从属权利要求表示至少有用的实施例和改进。

因此，本发明的基本构思是指定一种带有圆柱形振荡器的可小型化的电动机，所述振荡器是由带有特殊晶向的压电单晶制成或分别由这种材料构成。

在采用这种压电单晶时，对于电动机功能的必要激励是可能的，一方面，同时由于单晶的高硬度，通过电极相对于晶轴的特殊设置，另一方面，最小磨损产生用于驱动转子的摩擦表面的区域。

在具体条件下，优选使用的空心圆柱形压电振荡器由带有三方晶系的单晶材料构成。在具有3倍旋转轴时，晶体被称为三角形的。所使用的具有三角形晶系的材料具有以120°角彼此设置的三个主电轴和包括与所述电轴的交叉点基本上成90°角度的光轴，且它与空心圆柱形压电振荡器的纵向轴重合。

各个激励电极的对称轴线或激励电极面分别与三个主电轴中的一个交叉，各自的对称轴线与光轴平行地延伸。

压电振荡器的激励电极在空心圆柱体的外部圆柱体壳上等间距地设置，共同的主电极被设置在空心圆柱体的内壳上。

这样，可小型化的电动机的基本实施例是基于单片压电空心圆柱体形状的振荡器，它的至少一个面与压靠在所述面上的转子摩擦接触，且具有一个共同的主电极和三个激励电极，它们设置在振荡器的圆柱体壳的表面上，即空心圆柱体的表面上。

在本发明的电动机的第一个实施例中，每个激励电极激励第一个弯曲模式。所述振荡器由此在一个由光轴以及与各自的激励电极相对应的电轴形成的平面上振荡。

在电动机的第二个实施例中，第一个切向-轴向振荡模式由空心圆柱形振荡器中的每个激励电极所激励。

电动机的第三个实施例的特征在于，纵向驻波、即细长波在圆柱体周边上激励。

下面将参考示例性的实施例和借助附图更详细地描述本发明，其中：

图1是以侧视图示出了电动机的原理图；

图2示出了具有空心圆柱形振荡器的本发明电动机的剖视图；

图3是具有菱柱形状的三方晶系的压电晶体的示意图；

图4示出了驱动振荡器的压电元件相对于所限定的晶轴的取向；

图5示出了空心圆柱形压电振荡器上电极的设置；

图6示出了空心圆柱形压电振荡器的正视图；

图7示出了具有激励电源的振荡器的示例性的电路；

图8示出了在弯曲模式的激励时的振荡器振动；

图9示出了在切向-轴向模式的激励时的振荡器振动；以及

图10示出了在空心圆柱体周边上的纵波激励时的振荡器振动。

根据示例性的实施例，将在下面详细描述的电动机的优选实施例是基于单片的压电空心圆柱体，其至少一个面与压靠在所述面上的转子摩擦接触。所述压电空心圆柱体包括一个在圆柱体的内表面上的共同的主电极和在圆柱体壳的外表面上的三个激励电极。

所述压电振荡器是由具有三方晶系的压电单晶构成的。具有三方晶系的这种压电单晶具有三个主电轴以及一个光轴。所述电轴彼此以120°的角度设置。参考图4和图6，它们与光轴成90°的角度。所述压电晶体这样取向，使得光轴与圆柱形振荡器的纵向轴重合。以下列方式选择所述三个激励电极的排列，使得每个电极的轴向对称轴与单晶的其中一个主电轴交叉，而同时与单晶的光轴平行地延伸。

根据图1和2所述的可小型化的电动机包括一个被配置为单片压电空心圆柱形压电元件2的振荡器1。

所述的共同的主电极3设置在压电元件2的内部圆柱体壳上。

所述外部圆柱体壳容纳所述三个激励电极4、5和6。八个摩擦盘9作为转子12的部件通过弹性元件8被压靠在振荡器1的两个相对的面7上。所述摩擦盘9通过一个套管装置12固定在转子轴11上。

为了保证足够的摩擦接触，振荡器1设置有两个圆锥形的摩擦表面13。相应地，互补的圆锥形面14在与振荡器1的圆锥形表面13相接触的摩擦盘9上形成。

摩擦盘9最好由耐磨材料例如氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅或类似材料制成。

弹性材料8可以由硅橡胶材料或类似材料制成为圆环。也可以想象将弹性材料8设计成平板式弹簧。

压电元件2是由带有三方晶系的压电单晶例如结晶石英(SiO₂)、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、硅酸锰锑(La₃Ga₅SiO₁₄)或类似材料制成。

带有这种晶系的晶体具有一个光轴Z以及三个等效的主电轴X1、X2和X3，所述主电轴彼此以120°的角度设置并且与光轴成90°的角度。参考根据图3的这种三方晶系的示意图。

所述晶体光轴Z是指其中没有反向压电效应或者仅在与其它晶向相比时其本身表现得非常微弱的晶体方向。所述电轴是指其中反向压电效应具有一个最大值的晶向。

如从图中可以看出，可小型化的电动机的压电元件2是由上述的晶体材料制成的空心圆柱体，圆柱体相对于晶轴Z、X1、X2和X3的取向在图4中示出。重要的是，压电元件2或振荡器1的轴向轴S分别与单晶的光轴方向重合。

电极3、4、5和6制成为薄金属层，它们被敷设到根据图2、5和6的空心圆柱形振荡器的圆柱体壳上。

压电元件2的一个完全金属化的内壳表面作为振荡器1的共同主电极3。

所述激励电极4、5和6形成为压电元件2的外壳表面的金属化部分，其中各金属化部分的相对空间位置彼此成120°的角度。

每个激励电极的轴向对称轴E1、E2和E3与压电单晶的相应主电轴X1、X2或X3交叉，并且如图6对于轴E1、E2所示，平行于光轴Z延伸。

图7示出了带有3相激励电源15和由其产生的相移电压U1、U2和U3的本发明所述可小型化的压电电动机的原理电路。

图8表示通过其中一个激励电极，在弯曲模式的激励过程中振荡器的两个振动相位。

图9中示出通过其中一个激励电极，在切向-轴向的振动模式的激励时振荡器的振动相位，而图10表示振荡器的两个振动相位，它们通过其中一个激励电极在圆柱体周边上纵波的激励时产生。

上述可小型化的电动机代表一个3相行波电动机，其中通过三个驻波的重叠产生行波。

可以使用三种类型的驻波来操作所述的电动机。第一，弯曲模式，即圆柱体沿着其纵轴弯曲λ/2。这种模式导致振荡器在光轴Z上以及在对应于受控电极的电轴X上的振动(图8)。

类似地，根据图9，经由第一切向-轴向振动模式的激励的操作或通过圆柱体周边上的纵波作为波长λ的多倍是可能的。

在振荡器中激发的驻波的位置通过振荡器的高度H与振荡器的直径D之间的比率来确定。对于第一弯曲模式的激励，该比率例如等于4；对于第一切向-轴向模式的激励，它等于0.9；且对于圆柱体周边上的纵波的激励，它等于0.5。在上述情况中，圆柱体的壁厚度大约为D/6。

如上所述，电动机的功能原理是基于振荡器中行波的激励。作为这种激励的结果，振荡器的各个面上的点沿着椭圆路径移动。这里产生的行波作为相同振幅的三个驻波的重叠的结果，驻波之间的空间位移为λ/3，且它们的时间偏移为120°。这三个驻波中的每个都是通过激励电极4、5或6之一产生的。驻波的振幅相等是由于单晶相对于于激励电极4、5和6的取向而产生的。

为了同时激励三个驻波，振荡器被连接到各相间具有120°相差的3相电源15(图7)。

每一相在振荡器中激发一个独立于其它两相的驻波，其类型由比率H/D确定。作为这种叠加的结果，行波在振荡器中通过三个驻波产生，使得振荡器1的摩擦面13上的点通过上述椭圆路径移动。

压靠在振荡器1上的摩擦盘9由此产生旋转运动，它通过力传递弹性元件8传递给转子轴11。

为了实现所需的电动机的小整体尺寸的目的，电动机在没有支持振荡器1的外壳的情况下被制造。电动机的安装例如通过将其粘附或焊接到外部电极上来实现。

如上所述，根据本发明的可小型化的电动机由非常硬的单晶制成。这种单晶振荡器具有非常高的强度，并且能使产品具有非常小的尺寸。在所实现的电动机的不同变体中，振荡器可以具有小于1mm的直径。单晶振荡器的制造，例如石英谐振器的制造，根据充分受控的制造工艺来实现。

所示的单晶振荡器的摩擦面不要求任何特别的耐磨保护涂层，因为单晶的硬度已经非常高，因此提供了所要求的耐磨性。此外，在这种振荡器中，摩擦面的磨损朝向光轴，即在硬度最大的方向上发生，它额外增加了电动机的可靠性和寿命。

附图标记列表

1振动器

2压电元件

3共同的主电极

4激励电极

5激励电极

6激励电极

7振荡器的面

8弹性元件

9摩擦盘

10转子

11轴

12套管

13振荡器的摩擦面

14圆盘9的摩擦面

15三相电源

Claims (7)

1.一种可小型化的电动机，具有由空心圆柱形压电振荡器驱动的转子，其中所述转子有效地连接于压电振荡器的正面的摩擦面，还具有主电极或反电极以及设置在空心圆柱体表面上的激励电极，其特征在于，所述空心圆柱形压电振荡器由带有三方晶系的单晶材料构成，其具有彼此以120°的角度设置的三个主电轴和一个光轴，所述光轴与由电轴限定的平面成90°的角度，且该光轴与空心圆柱形压电振荡器的纵向轴重合，此外，各个激励电极的轴向对称轴与三个主电轴中的一个交叉，各自的轴向对称轴平行于光轴延伸。

2.如权利要求1所述的可小型化的电动机，其特征在于，所述激励电极等间距地设置在空心圆柱体的外壳上。

3.如权利要求1或2所述的可小型化的电动机，其特征在于，所述共同的主电极设置在空心圆柱体的内壳上。

4.如上述权利要求之一所述的可小型化的电动机，其特征在于，在空心圆柱体的各面上分别形成一个圆锥形的摩擦面，所述摩擦面与用于驱动转子的摩擦盘的互补圆锥配合作用。

5.如权利要求1所述的可小型化的电动机，其特征在于，振荡器的第一个弯曲模式由每个激励电极所激励，其中所述压电振荡器在一个由光轴以及对应于各激励电极的电轴所形成的平面上振荡。

6.如权利要求1所述的可小型化的电动机，其特征在于，第一个切向-轴向振动模式在压电振荡器中由每个激励电极所激励。

7.如权利要求1所述的可小型化的电动机，其特征在于，一个纵向驻波在压电振荡器中在空心圆柱体的周边上由每个激励电极所激励。

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