CN101562438A - 环形压电超声谐振器和使用环形压电超声谐振器的压电超声旋转电机 - Google Patents
环形压电超声谐振器和使用环形压电超声谐振器的压电超声旋转电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种环形压电超声谐振器和使用该压电超声谐振器的压电超声旋转电机。所述环形压电超声谐振器包括压电陶瓷,分割为用于施加交流电场的每个四分之一波长的片段,其中压电陶瓷在包含两个片段的极化单元中被交替极化,正弦波交流电场,以及与该正弦波交流电场有预定相位差的正弦波交流电场交替施加于所述每一个片段。进一步地,压电陶瓷的片段的数量是4的整数倍。更重要的是,所述压电陶瓷的每一个片段上施加的正弦波交流电场与相邻片段上的正弦波交流电场具有90°的相位差。
Description
技术领域
本发明涉及一种环形压电超声谐振器,特别地,涉及一种环形压电超声谐振器和使用该压电超声谐振器的压电超声旋转电机,通过对压电陶瓷施加不同相位的交流电场,该电机能够相对于环形谐振器产生椭圆形的机械位移使转子旋转。
背景技术
现有技术中,压电超声电机有几个优点,在低速阶段,能够直接产生高扭矩,有快的响应时间,能够应用在比较宽的速度范围内。进一步地,压电超声电机还有一个优点就是,在发动机和定子的压力控制下不会滑动,从而实现精密的位置控制,且能够产生高的输出。所述压电超声电机被使用在旋转发电机和直线发电机中。同时,环形的压电超声谐振器使用在旋转电机中,作为旋转电机的谐振器可以应用在不同领域,例如,照相机透镜驱动电机,公用电话使用的接收卡片的电机,交通工具中的折叠侧视镜使用的驱动电机,交通工具中活动车头的能量来源,绕线窗帘的缠绕电机,遥控立体声中的音量电机等等,所述压电超声电机的谐振器使用环形谐振器。
以下结合图1详细描述现有技术中的环形压电超声谐振器。图1为传统的环形压电超声谐振器的平面图,从图中可以看出,环形压电超声谐振器的压电陶瓷分割为许多的片段。大量片段10的长度为施加电场波长的1/2,并且被交替极化。所述大量片段之一是第一虚拟部分11,其波长为施加电场波长的3/4且未被极化。第二虚拟部分12,该片段正对第一虚拟部分11,其波长为所加电场波长的1/4,且未被极化。
具有90°相位差的正弦波交流电场施加于所述第一虚拟部分11和第二虚拟部分12的两边。换句话说,在图中,Asinwt交流电场施加于片段1,该片段1位于第一虚拟部分11和第二虚拟部分12的右边,Acoswt交流电场施加于第一虚拟部分11和第二虚拟部分12左边的片段10。当施加电场时,每一个片段都振动。由于第一虚拟部分11和第二虚拟部分12的长度不同,片段之间的振动受到干扰形成行波。也就是说,如果所有片段的长度都相同,认为形成驻波,然而第一虚拟部分11和第二虚拟部分12形成一个行波。
如上述所说的传统的压电超声谐振器,由于在没有施加电场时虚拟部分被动地振动,引起每一点的扭矩不一致带来较多问题,并且,由于所述虚拟部分输出为零,因此谐振器的总输出降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种环形压电超声谐振器,能够在每一点提供相同的转矩,并通过设置相同大小的环形压电陶瓷片段而不形成虚拟部分来提供高的输出。
根据本发明的一个方面,提供一种环形压电超声谐振器,包括压电陶瓷,分割为用于所施加交流电场的每个四分之一波长的片段,其中所述压电陶瓷在包含两个片段的极化单元中交替被极化;以及正弦波交流电场,与该正弦波交流电场有预定相位差的正弦波交流电场交替施加于所述每一个片段。
进一步地,所述压电陶瓷的片段的数量是4的整数倍。
进一步地,所述压电陶瓷的每一个片段施加的正弦波交流电场,与相邻片段的正弦波交流电场有90°的相位差。
优选地,所述第一电极形成于极化单元的第一片段外侧,所述第二电极形成于极化单元的第二片段的里侧,所述第一电极和第二电极一个接一个地交替连接于所述片段。此外,若施加于第一电极的正弦交流电场比施加于第二电极的正弦交流电场的相位相差落后90°,所述压电陶瓷产生顺时针方向的行波,若施加于所述第一电极的正弦交流电场比施加于所述第二电极的正弦交流电场的相位超前90°,所述压电陶瓷产生逆时针方向的行波。
根据本发明的另外一个方面,提供一种压电超声旋转电机,包括:环形压电超声谐振器,分割为4的整数倍,用于施加电场的每个四分之一波长的片段;定子,连接于所述谐振器并传播该谐振器的振动;转子,依据所述定子的振动所产生的摩擦力旋转;旋转轴,配置在所述转子的中心;以及外壳,用于容纳所述谐振器,定子,转子和旋转轴,所述旋转轴突出于所述外壳;其中所述谐振器在包含两个片段的极化单元中被交替极化,以及,正弦波交流电场,与该正弦波交流电场有90°相位差的正弦波交流电场交替施加于所述片段。
优选地,连接于所述转子的下部并与所述定子直接接触的摩擦环。
进一步地,所述定子包括连接于谐振器的底部部分,以及从底部部分向转子突出的突出部分,当所述突出部分与所述摩擦环接触时,所述突出部分变形为摩擦环提供摩擦力。
而且,所述压电超声旋转电机,进一步包括挤压所述转子到所述定子的板簧。
附图说明
结合相关附图以及本发明的相关实施例的描述,本发明的上述以及其它目的及特征将更加显著,其中:
图1为现有的环形压电超声谐振器的平面图;
图2本发明的一个环形压电超声谐振器的实施例的平面图;
图3是图2所述的环形压电超声谐振器在施加电场时的振动位移图;
图4显示的是图2所述的环形压电超声谐振器随时间变形的透视图;
图5是图2所述的环形压电超声谐振器以相反的方式施加电场时随时间变形的透视图;
图6是使用本发明压电超声谐振器的压电超声旋转电机的横截面视图;以及
图7A和7B提供了利用本发明的压电超声谐振器来旋转转子的过程的横截面视图。
附图标记说明
101压电超声谐振器 102定子
102a底部部分 102b突出部分
103摩擦环 104转子
105板簧 106旋转轴
107外壳 108轴承
109导线 110片段
120第一电极 130第二电极
具体实施方式
以下结合附图2至附图6进一步详细描述本发明环形压电超声谐振器。
图2本发明的一个实施例的环形压电超声谐振器的平面图。图2中的环形压电超声谐振器101挤压定子102,因而,谐振器101的振动传播给定子102。谐振器101的行波在定子102中形成,并且所述行波转变为用于转子转动的摩擦力(图中未示出)。环形压电超声谐振器101包括压电陶瓷,分割为施加电场的每一个四分之一波长的片段,其中片段110成对的被交替极化。压电超声谐振器101周长为施加电场波长的整数倍。因此,压电陶瓷周长为施加电场波长的整数倍。设在片段110的外侧的第一电极120被施加正弦波交流电场,并且设在相邻片段110的内侧的第二电极130被施加相位落后于第一个电极所施加正弦波交流电场的相位90°的正弦波交流电场。在该实施例中,片段110成对的被交替极化。在图中,(+)或(-)代表的是陶瓷垂直极化的状态。如果两个邻近的片段在相同方向上被极化,接下来的两个相邻片段在与上述片段相反方向上被极化。Asinwt交流电场施加在片段110的内侧,且Acoswt交流电场施加在邻近片段110的外侧。所述电场交替施加在每一个片段上。也就是说,当一个正弦波交流电流施加在一个片段上,交流电流的相位比施加在邻近片段上的正弦波交流电流的相位超前或落后90°。总之,负极(-)和一个正弦波,正极(+)和一个余弦波,正极(+)和一个正弦波,负极(-)和一个余弦波依次连续相应。
图3是图2所述的环形压电超声谐振器施加电场的振动位移图,由图2中所示的偏振态和电场的连续排列所形成的位移可以被表述为如下公式:
ξ1(x,t)=Aejwtcoskx 公式(1)
ξ2(x,t)=Aejwt+π/2cosk(x+λ/4) 公式(2)
ξ3(x,t)=Aejwt+πcosk(x+λ/2) 公式(3)
ξ3(x,t)=Aejwt+3π/2cosk(x+3λ/4) 公式(4)
其中,A表示振幅,t表示时间,w表示角频率,k(=w/c)表示波数,c表示波的移动速度,λ表示波长。
图3显示了这样的位移,如图所示,每一个片段随时间改变的位移和振动。至于最大振幅的位置,环形压电超声谐振器的振动可以看到的是以S方向传播的行波。
优选地,压电陶瓷谐振器由层叠在金属或类似金属的弹性基质表面上的陶瓷压电材料形成。然而,该结构在现有技术中是公开的,因此,该处不再对此详细描述。
以下结合图4和图5详细描述本发明的环形压电超声谐振器的具体操作方式和效果。
图4所示的是图2中的环形压电超声谐振器随时间变形的透视图;且图5所示的是,当施加正弦波交流电场的第一电极的相位超前施加正弦波交流电场的第二电极的相位90°时,图2中的环形压电超声谐振器随时间变形的透视图。
当施加电场时,所述环形压电超声谐振器变形。由于所施加电场是具有预定周期的正弦波形式,因此所述变形也以预定周期振动。正如上述描述的,振动是一个行波。
图4显示一个实施例中Acoswt交流电场施加在极化单元的第一片段,所述极化单元包括具有相同极性的所述压电陶瓷的片段中两个片段,并且Asinwt交流电场施加在极化单元的第二片段。在该实施例中,波是沿顺时针方向传播。
相对的,图5显示的实施例Asinwt交流电场施加在极化单元的第一片段,并且Acoswt交流电场施加在极化单元的第二片段,在本实施例中,波的传播沿逆时针方向。换句话说,电场的改变能够改变旋转的方向,因此能够有效控制旋转的方向。
环形压电超声谐振器所有的片段都有相同的间隔,因而易于生产。此外,由于没有使用虚拟部分,该谐振器有一个突出的优点就是由于所有片段的振动导致的输出量增加。
以下结合图6至图7B将详细描述使用本发明的压电超声谐振器的压电超声旋转电机。
图6显示使用本发明的环形压电超声谐振器的压电超声旋转电机的横截面视图,且图7A和7B是使用本发明的环形压电超声谐振器旋转转子的过程的横截面视图。
如图6至图7B所示,一个电机的旋转模块包括环形压电超声谐振器101,连接环形压电超声谐振器101的定子102,圆盘状的转子104,连接转子104和定子102的摩擦环103接收摩擦力,并为转子104提供一个转动力,板簧105,挤压转子104到定子102,以及旋转轴106。尤其是,定子102包括接触环形压电超声谐振器101的底部部分102a和来自底部部分102a并向转子104突出的突出部分102b。所述突出部分102b与摩擦环103接触并变形,从而为摩擦环103提供摩擦力。
旋转模块嵌入在电机的外壳107中,并且旋转轴106由外壳107中的轴承108旋转支撑。环形压电超声谐振器101连接于外壳107,由导线109提供电场。电场的供给也可以通过使用PCB提供。
如图7A和7B所示,突出部分102b依据行波为圆盘状转子104提供摩擦力。转子104通过板簧105被施加载荷P。图7A显示的是最初状态,图7B显示的状态是,定子102随着环形压电超声谐振器的变形而变形,因此,转子104被移动。由于振动产生的行波使定子不旋转但是发生变形。当突出部分102b通过定子102的变形向上移动时,转子104被预先设定的压力P挤压,同时,突出部分102b在旋转方向上变形并且在旋转方向给摩擦环103提供一个摩擦力。摩擦环103和与其连接的转子104由突出部分102b的变形所推动,和从而在旋转方向产生一个位移,因而,使转子104转动。如上所述的旋转电机相比较现有技术的旋转电机有一个高的输出和强的扭矩,并且能够精确控制。
依据本发明,通过在压电陶瓷中分割压电陶瓷为相同的部分而没有形成虚拟部分,交替极化所述包含有两个片段的极化单元中的每一个片段,以及交替施加相位差为90°的正弦波交流电场在每个片段上,使得每一点的能量一致,并且谐振器的输出增加。
本发明的具体实施例显示和详细描述了本发明,本领域的技术人员应当清楚的了解本发明实施例的各种变化和修饰不脱离本发明的范围,都应包括在相应的权利要求中。
Claims (8)
1、一种环形压电超声谐振器,包括:
压电陶瓷,分割为用于施加交流电场的每个四分之一波长的片段,
其中所述压电陶瓷在包含两个片段的极化单元中被交替极化,以及
正弦波交流电场,以及与该正弦波交流电场有预定相位差的正弦波交流电场交替施加于所述每一个片段。
2、如权利要求1所述的环形压电超声谐振器,所述压电陶瓷的片段的数量是4的整数倍。
3、如权利要求1所述的环形压电超声谐振器,所述压电陶瓷的每一个片段施加的正弦波交流电场,与相邻片段的正弦波交流电场有90°的相位差。
4、如权利要求1所述的环形压电超声谐振器,所述第一电极形成于极化单元的第一片段外侧,所述第二电极形成于极化单元的第二片段的里侧,所述第一电极和第二电极一个接一个的交替连接于所述片段,以及
若施加于所述第一电极的正弦交流电场比施加于所述第二电极的正弦交流电场的相位差落后90°,所述压电陶瓷产生顺时针方向的行波,若施加于所述第一电极的正弦交流电场比施加于所述第二电极的正弦交流电场的相位差超前90°,所述压电陶瓷产生逆时针方向的行波。
5、一种压电超声旋转电机,包括:
环形压电超声谐振器,分割为4的整数倍的用于施加电场的每个四分之一波长的片段;
定子,连接于所述谐振器并传播该谐振器的振动;
转子,依据所述定子振动产生的摩擦力旋转;
旋转轴,配置在所述转子的中心;以及
外壳,用于容纳所述谐振器,定子,转子和旋转轴,所述旋转轴突出于所述外壳;
其中所述谐振器在包含两个片段的极化单元中被交替极化,以及
正弦波交流电场,以及与该正弦波交流电场有90°相位差的正弦波交流电场交替施加于所述片段。
6、如权利要求5所述的压电超声旋转电机,包括:连接于所述转子的下部并与所述定子直接接触的摩擦环。
7、如权利要求6所述的压电超声旋转电机,所述定子包括:连接于所述谐振器的底部部分,以及从底部部分向转子突出的突出部分,当所述突出部分与所述摩擦环接触时,所述突出部分变形为摩擦环提供摩擦力。
8、如权利要求5所述的压电超声旋转电机,进一步包括:挤压所述转子到所述定子的板簧。
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C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20091021 |