CN1018126B - 压电电动机 - Google Patents

Abstract

本发明创造了一种高性能的压电电动机，它包括一个带板状振子的滑动件，振子内可激发驻波，以及多个压电致动器，安在振子的下表面对应于驻波的波腹和波节部分，易于与驻波同步变形。

Description

本发明涉及电动机，更确切地说，涉及采用了诸如压电材料等电-机换能器的压电电动机。

使用了压电材料的一般超声电动机，在日本窑业协会出版的“陶瓷”第21卷（1986）。No1，第九页至第14页;及日本应用物理学会出版的“应用物理”，第54卷（1985）。No6，第589页至第590页中，以及其它刊物中已有所叙述。

最初制成的超声电动机是振簧式的。这类超声电动机是将压电体的纵向振动转变成振动簧片前端的椭园运动，由此带动运动组合体（滑块）运动（见“陶瓷”第10页，图1）。

这种类型的超声电动机具有一个薄的振动簧片，其前端面积很小，所以它一方面不能产生大的力矩，另一面又有易于磨损、寿命短的问题。

为解决耐久性问题，构想了行波式超声电动机（见“陶瓷”第10页，图3）。该类型超声电动机是利用了这样的事实，即当弹性材料中产生了行波时，其表面粒子都进入椭园运动，这同振簧式超声电动机是类似的，二者都是由椭园运动造成的摩擦而驱动的。

另一方面，行波是由迭加例如二个在时间和空间相位上分别相差π/2的驻波而产生的。在直线电动机的情况中，为了消除弹性体边界反射波的效应，将弹性体的端部曲化（见“应用物理”54卷No6（1985），第589页，图1），使行波在表面上形成一个 园，或者将消振器安装在其端部（见同一刊物第590页，图4），旋转电动机是由在一个环上迭加的两个驻波而构成的（见同一期杂志第590页，图7）。

与振簧式超声电动机相比，行波式超声电动机具有增大的接触面积，所以提高了耐磨性。

在上述行波式超声电动机中，虽然比振簧式有较大改进，但带有激发行波的弹性体仍与作为运动组合体的滑动件直线接触。接触面积小不仅造成耐磨性差，还因滑动件或等同物的弹性奇变而导致驱动力的降低及低输出效率。

为解决这个问题，JP-A-61-102177和JP-A-61-203872公开了一种装置，该装置具有一个弹性材料制成的滑动件，为增大驱动力，它可形变以增大接触面（图13）。然而，由于滑动件的弹性形变所引起的能量损失降低了效率。而且，随着至波前的距离，弹性体表面粒子垂直于滑动表面的速度分量，即横波分量增加，而提供推力的纵波分量却急剧减小。因此，推力没有显著地增加。

在驱动行波式超声电动机的过程中，横波的振幅相对于滑动件和弹性体的表面粗糙度，必须足够大。为此，几伏特以上的电压施加于旋转型超声电动机的压电体，几百伏施于直线型的压电体，以激发行波。另一方面，纵波与横波的振幅比对于每一弹性体是固定的。其结果，每一激发周期的距离约为一微米，这基本是电动机用作微动机构时所获得的位置精度的程度。

如果为了增大速度，将施加于压电体的电压增大，那么对滑动件运动速度没有贡献的横波振幅就增大，从而增加了能量的损耗。

一般来说，超声电动机的激发频率为几十千赫，波长为几厘米。该波长是缩小超声电动机体积的最大难关。特别是在直线电动机的情况中，为降低反射波的影响，上面所述的弹性体曲端面结构，要求相对于该波长有足够大的曲率半径，这就无法进一步缩小体积。

直线电动机具有安装在金属棒两端的换能器。但激发不是产生于金属棒的谐振频率，所以就需要有大的强激发机构（“陶瓷”第21卷，1986年，No1）。如果要吸收行波并实现往复运动，在两端都要有激发机构。这就很难缩小体积，而且大而强的激发机构还会造成更大的能量损耗。

波长大不仅是缩小体积的难关，而且还导致滑动件与换能器之间的大接触面积不牢固的缺点。上述直线电动机使用变形波来缩短波长，该波波长例如，43毫米，且具有6平方毫米截面的铝棒，以27千赫激发。波长由λ＝2π（EI/ρA）1/4ω-1/2给出，（E：扬氏模量，A：截面积，ρ：密度，I：面积第二力矩），因此，例如波长不会减小一半，除非换能器截面积增大16倍。所以增加与滑动件相接触的波前数目绝非易事。

为改进弹性波的传播效率，用硬铝（杜拉铝）或类似的高扬氏模量材料制作上述换能器或弹性体。从输出效率来看，这大大地限制了用制做与弹性体相接触区域的材料。

本发明的目的是解决上述问题，或者具体地说是通过增大运动组合体（滑动件）与定子之间接触面积来改善驱动力和输出效率。

本发明另一目的是提供可任选运动速度和最小覆盖距离的电动机。

为达到上述目的，先看一下超声电动机原理。

运动单元（滑动件）由弹性体（换能器）表面粒子的椭园运动来推动，该弹性体中纵向波迭加在横波上。

推力产生于沿纵波运动方向的往复运动。如果弹性体保持与运动组合体的接触，推力就不是在单一方向上的。因此，只有在纵波仅在一个方向上具有速度分量时，弹性体才在横波的往复运动作用下与运动单元接触。

高性能的超声电动机可通过单独优选这两个功能来实现。具体说，上述目的可用两个分别具有纵波与横波功能的部件来达到。

驻波，例如由压电体或类似物在运动单元中激发的，这种驻波是一种横波。适于与驻波同步沿运动体运动方向作往复运动的压电体安置在每个最大振幅或零振幅位置上。该压电体的往复运动提供了电动机的推力。

图1是示意图表示本发明一实施例的压电电动机的结构。

图2是图1的局部放大图。

图3至图5是示意图，表示本发明另一实施例压电电动机的结构。

图6至图7是表示施加的电压与速度之间的关系的图。

图8是示意图，表示本发明又一实施例压电电动机结构。

图9是图8由线Ⅸ-Ⅸ切开的剖面图。

图10至图12是示意图，表示本发明又一实施例的压电电动机结构。

图13是示意图，说明一般表面波电动机的工作原理。

图14和15是示意图，表示本发明又一实施例的压电电动机结构。

下面参照图1和图2来讲解本发明的一个实施例。

零电位板4上安置有带振子1和压电体2、3的运动单元。压电体也可称为压电致动器。振子1由压电材料制成按图中箭头方向极化。压电体2、3也按图中箭头方向极化。振子1在其上表面有零电位电极8。另一方面，振子1的下表面上有与交流电源5相连的电极7。而且，电极6与电极7相绝缘地安在电极7的下表面。电极通过放大器9和移相器10与交流电源5相连接。

交流电源5以相同于极化的方向向振子1提供电压。振子1受激励的频率，其纵向振动的半波长与振子1的长度相一致（压电体2、3的极化方向），这是主谐振，零振幅（波节）在振子1的两端，最大振幅（波腹）在中间。压电体2、3安置在波节和波腹的位置上，并由电极6的电压沿垂直于极化的方向施加电场，从而重复切变。压电体2和3的厚度相应于振子1的长度足够小，因而，在低于压电体2、3的谐振频率的频率上工作。

移相器10调整电极6与电极7电压之间的相差，以获取下述的振动条件。

当振子1的翘曲仅使压电体3接触到板，而压电体2悬着时，由振子看去的压电体3的下表面粒子的速度分量是与极化方向相反的。其结果，包括振子和压电体的运动单元沿图1中所示正方向P运动。

另一方面，当仅压电体2接触板，运动单元仍沿同一正方向运动，因为压电体2是与压电体3反方向极化的。

图2表示了仅压电体3接触到板的情况。胶合剂11用来将振子1和压电体2、3及相互绝缘的电极6、7粘在一起。而且，具有适当弹 性以基本吸收了振子1在该部位的变形。高刚度的压电体3基本不变形，所以其下表面的整个区域都与板相接触。

改变电极6的电压大小可以改变运动的速度，这可由变化放大器9的增益来简单地实现。电极7电压大小由负载大小和板或类似物的表面粗糙度来决定。

当要反转运动方向时，由移相器10将相位错开180°，从而使运动单元反方向运动。

根据采用振子谐振模的本实施例，用低电压可在垂直于板表面的法直线方向上获得大的位移。也可以变化激励频率来逆转运动方向。如果考虑到纵向振动和切变振动，正确地选择振子1的长度和压电体2、3的厚度，就可获得振子1和压电体相同的谐振频率，从而在谐振状态中使用它们。

该实施例，将主谐振与切变相结合，实现了很紧凑的直线电动机。长度为2.5厘米的直线电动机可由近60千赫的激励频率来驱动。

改变压电体2、3的极化方向可改变运动方向。图3表示包括沿振子短边极化的压电体2、3的实例。运动单元沿与振子的振动垂直的方向运动（正方向P）。

如果将上述两种直线电动机结合，就获得了可二维运动的电动机。而且，图4所示结构减少了电动机的尺寸。

产生驱动力的电压体沿垂直于板面的直线方向极化。电极35和12附在压电体的两个侧面上，其余四个侧面都保持零电位。在图1中施加于电极6的电压也同样施加于电极35，从而驱动运动单元沿振子的纵向运动，如果电压施加到电极12上，它就沿其短边运动。

除非压电体2和3使用在谐振状态，否则运动速度就大受限制。图5表示了可产生高运动速度的实施例。

多个压电体13固定在振子1的下表面端。每个压电体由中间分成的左右两部分，极化方向相反，并在中间和端部与板4接触。电极6沿极化方向施加电场。为了以低电压同时获得大位移和适当的弹性，每个压电体被切成薄形。

该装置与图1方式一样与电源相连。图6、图7表示施加的电压与速度的关系。电动机包括由长25毫米，宽6毫米的压电板制成的振子1，压电体13具有与振子1相同的大小，分为极化方向相反的左右两部分。薄瓷板附在体13与板4接触的三个部位上。加在振子1上的电压记为V₁，加在压电体13上的电压记为V₂。

现讲的实施例是单形结构，如果是双形结构，就可以以更低电压工作。

除了上述实施例采用振子1的主振模之外，还可将压电体安置在二次和高次振动模的最大振幅位置上。如果将一负载固定在振子波节上，即振子上表面的零振幅位置，在工作中振动对负载的影响最小。

上述振子表示成了仅包括一个压电体的形式，以利于理解。如果使用的振子包括附有一般金属板的薄压电板，那么，机械强度还会改善。

现在，讲述旋转电动机的应用。

图8和图9表示具有可高速旋转结构的旋转电动机的构造。图9是图8沿Ⅸ-Ⅸ线切后的放大剖面图。

与上所述振子有相同结构的矩形振子14、15固定在定子22 的两端（定子22有适当的弹性）。具有其中心与这些部件中心对准的、成盘形的转子21，由适当的力被压靠在压电体17和18上。压电体17和18适于在电极19的电位作用下向边缘方向位移。压电体17、18的一端固定在振子上，另一端与转子21接触。具有充分弹性的弹性体20插在压电体17、18和振子之间。

振子14和15都处于主谐振态，相位相差180°。压电体17和18适于在相位上与振子14和15超前和迟后90°，从而推动转子21旋转。转子21的旋转中心（托）16与压电体17、18接触转子的表面对准，位移方向垂直于对准直线。具有充分可变性不影响压电体变化的弹性体20，对于压电体和转子的表面接触给予适当的垂直阻力。而且，如果要增大力矩，可安装彼此相隔90°的4个振子并由4个压电体驱动。只要振子14和15是由弹性材料模压成的双形振子，就可以低电压工作。

图10表示一个旋转电动机和一个环的实施例，它利用了剪切变形的收与扩。

一个由压电体制成、沿径向极化的环形振子22和安在最大振幅处的4个压电体23构成了一个定子，其外周与受弹簧拉力作用的转子24接触。振子22的外周边为零电位，振子22和压电体23受到电极25、26和27沿径向的电场作用。4个电极25、26可使振子22中适于产生次驻波。压电体23受到与次驻波相差90°的切变。这些操作驱动转子24。

在上述各实施例中，产生驻波的振子和产生驱动力的压电体是由压电部件电致收缩部件构成的。然而，将纵向和边缘位移与切变相结合就可由一个压电体来取代它们。这样的实施例表示在图11和12 中。

电极29和30安置于压电体31上，并分别受到平行和垂直于图中箭头所示极化方向的交变电场作用。例如，如果该装置的下表面被固定，其上表面的粒子与交变电场彼此相位错开90°，作椭园运动。其结果，运动单元就如振簧型超声电动机中的情况一样被带入运动。如果考虑频率常数，正确地选则压电体31的大小，该装置就可用于纵向和横向的谐振状态中。此外，如果沿极化方向安置一个条形弹性体，并将压电体沿纵向的谐振状态与弹性体的横向谐振状态结合，就可在弹性体的前端表面上激发一个大的椭园运动。

图12表示由一个环形压电体32所实现的图10旋转电动机。

电极33、34用于向压电体32施加电场，从而使压电体经受切变。电极33为零电位，电极34受交变电压作用。另一方面，电极25的电压比交变电压相位差90°，电极26的电压比电极25的电压相位差180°。环形压电体32的外周是零电位。转子23具有适当的弹性并与压电体32大面积地接触。压电体32外周上的粒子由于切变在大区域上有沿园周方向的速度分量，所以，象前述实施例一样可产生大的驱动力。

在上述各实施例中，定子与转子之间的接触区最好用高摩擦系数和耐磨性的材料，且具有小的因弹性变形等引起的能量损耗。

图14、15表示的情况是利用多层压电装置42、43的位移代替压电体的切变来产生电动机的驱动力。多层压电部件43安装在垂直于页面位置上，其一端部与一板固定，另一端与块45固定。另一方面，多层压电部件43虽没表示在图14中，可以类似方式安装在垂直于多层压电部件44的位置上多层压电部件41安装在垂直 于前述两压电部件的位置上，这三个部件有大体相同的谐振点。

这些部件受多层压电部件41谐振频率的三角波驱动。由交流电源46提供的三角波分别经放大器47、48和49被放大到所需电压，作用于多层压电部件41、42和43。如果通过移相器50使部件41、42以适当角度延迟三角波，就可使这些部件振动，例如，彼此相差90°相位。其结果，块45在页面上作椭园运动，并在某方向上激励其余部分51，从而在图的横向上产生驱动力。以类似方式驱动部件41和43，就可在垂直于页面的方向上获得驱动力。

如果在板44的4个角上都安有一个由这种结构的三个多层压电部件组成的三角架，板44就可相对于静止部分51做直线或旋转运动。

根据本实施例，产生驱动力的振动和控制摩擦力的振动都是谐振状态的，所以能量转换效率高。具有较为同一特性的多层压电部件可在市场上购买，要特别注意选择用有相同谐振点的多层压电部件来构造三角架。此外，如果缩短部件42和43，提高谐振频率，就可省去移相器50。

由前述可知，本发明使运动单元和定子彼此以大面积接触，压电体表面粒子沿驱动方向有均匀的速度分量。这就使得所产生的大摩擦力基本防止了强压下的打滑和变形。其结果，获得了大的驱动力和高输出效率以及持久的耐磨性。

见于一个周期所限定的距离是可任选的，本发明超声电动机很适于作微米定位机构。

驻波的使用大大缩小了直线电动机的体积。

另一方面，由于运动单元和定子之间接触区域的材料的可选性，才创出了高效率。

Claims (9)

1、一种压电电动机，具有一个定子和一个滑动件，其特征在于：

所述滑动件临近所述定子安置，并包括第一压电致动器和至少两个第二压电致动器，

所述第一压电致动器由一交变电能激励在其中产生驻波；以及

所述第二压电压致动器置于所述第一压电致动器与定子之间，并由与所述一交变电能有确定关系的另一交变电能使之与所述驻波同步地变形来产生驱动力。

2、根据权利要求1所述压电电动机，其特征为滑动件是板式振子，压电致动器安在滑动件表面对应于驻波波腹和波节的部分上。

3、根据权利要求2所述压电电动机，其特征为安在振子下表面的压电致动器受切变振动。

4、根据权利要求2所述压电电动机，其特征为其中每个压电致动器是沿振子厚度极化的长方体（rectangnlar  parallelo-piped），在长方体的两个相邻侧面各面上安一个电极，其余四面保持零电位，在两相邻面的一个给定电极上加上正弦电压，从而选择振子的纵向运动和横向运动之一。

5、根据权利要求1所述压电电动机，其特征为滑动件是其下表面端固定有压电致动器端部的板状振子，压电致动器是板状的，沿振子长度伸展，沿振子厚度方向极化，并且有与定子接触的中间部分和端部。压电致动器其中部的左右两侧极化方向相反。

6、根据权利要求2所述压电电动机，其特征为连接振子与压电致动器的连接剂具有绝缘性和弹性特点。

7、根据权利要求1所述压电电动机，其特征为定子包括一个压电材料制成的、沿其径向极化的环形振子和安在振子最大振幅位置上的多个压电致动器，滑动件是环状的，在弹簧作用下与定子外周相接触。

8、根据权利要求1所述压电电动机，其特征为由定子和滑动件中选出之一为长方体压电致动器，加有分别平行和垂直于极化方向的交变电场，产生同步的纵向振动和切变，从而产生驱动力。

9、根据权利要求1所述压电电动机，其特征为定子包括有一个沿其径向极化的单一环形压电致动器，且分为四部分，分别受到平行和垂直于极化方向的交变电场作用，产生同步的纵向振动和切变，从而使在弹簧张力作用下保持与定子外周接触的环形滑动件旋转。

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