CN102292907A - 基于有组合谐振器的声学驻波的压电准谐振电机 - Google Patents

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Abstract

一种压电装置，包含有相对的第一和第二表面及相对第三和第四表面的压电谐振器体(3)。该装置还包含被安排在第二表面(15)上的至少一个共用电极(8)和沿第一纵向轴成对地被安排在第一表面(14)上的电极(4a、4b)。该装置还包含接触单元(5)，被安排在沿第一纵向轴并对准在每一对激励电极之间的接触位置处的第三(16)和第四(17)表面上。在该装置中，该压电体有沿第二纵向轴的第一阶自然谐振频率(v1)和沿第一纵向轴的偶数阶自然谐振频率(v2)，这里v1和v2之间的百分比差值大于0％且小于或等于20％。

Description

基于有组合谐振器的声学驻波的压电准谐振电机
交叉参考相关申请
本申请属非临时专利申请，要求于2008年12月18日递交的美国专利申请No.61/138,665的权益，本文引用该申请的全部内容，供参考。
技术领域
本发明涉及压电电机，尤其涉及基于驻波声波和组合谐振器的压电准谐振电机。
背景技术
一般地说，压电致动器是由扁的压电单元形成，它通常被配置成在压电单元的长度和宽度之间有特定比值(谐振器长度(L)和宽度(B)通过方程式B＝0.5L相关联)。这种配置一般能使平面纵向弹性2-D波在压电单元中被激励。结果一般是接触点的直线位移，该直线位移通常被定位在谐振器的中心，并用附着于压电单元的表面的接触或摩擦单元偶联到电机的其余部分。
发明内容
本发明的实施例涉及压电电机及其系统。在本发明的第一实施例中，一种压电装置被提供。该装置包含压电谐振器体，它有相对的第一和第二表面及相对的第三和第四表面，该第一和第二表面基本上平行于压电谐振器体的第一及第二纵向轴，该第三和第四表面基本上平行于第一纵向轴并基本上垂直于第二纵向轴，且该第一和第二纵向轴基本上相互垂直。该装置也包含被安排在第二表面上的至少一个共用电极和被安排在第一表面上的多个电极，该多个电极包含一对或多对激励电极，每一对激励电极包含沿第一纵向轴的第一方向放置的第一电极和第二电极。该装置还包含被安排在一个或多个接触位置上的第三和第四表面中的至少一个上的一个或多个接触单元，每一接触位置至少部分地被对准在一对激励电极的第一和第二电极之间。在该装置中，该压电体有沿第二纵向轴方向的第一驻波纵波的第一阶自然谐振频率(v1)、沿第一纵向轴方向的第二驻波纵波的偶数阶自然谐振频率(v2)，而v1和v2之间的百分比差值大于0％且小于或等于20％。
在本发明的第二实施例中，包含压电电机的燃油室泵被提供。该压电电机包含压电谐振器体，它有相对的上和下表面及相对的前和后表面，该前和后表面平行于压电谐振器体的第一及第二纵向轴，该第一及第二纵向轴相互垂直，而上和下表面平行于第一纵向轴并垂直于第二纵向轴。该电机还包含被安排在后表面上的至少一个共用电极和被安排在沿第一纵向轴的前表面上的多个电极，该多个电极包含一对或多对激励电极。该电机还包含多个接触单元，被安排在沿第一纵向轴的接触位置处的上和下表面上，该多个接触单元的每一个与一对激励电极关联。在该电机中，压电体有沿第二纵向轴方向的第一驻波纵波的第一阶自然谐振频率(v1)、沿第一纵向轴方向的第二驻波纵波的偶数阶自然谐振频率(v2)，而v1和v2之间的百分比差值大于0％且小于或等于20％。
在本发明的第三实施例中，一种压电装置被提供。该装置包含压电谐振器体，它有相对的第一和第二表面及相对的第三和第四表面，该第一和第二表面基本上平行于该压电谐振器体的第一和第二纵向轴，该第三和第四表面基本上平行于第一纵向轴并基本上垂直于第二纵向轴，且该第一及第二纵向轴基本上相互垂直。该装置也包含被安排在该压电谐振器的后表面上的至少一个共用电极和被安排在第一表面上的多个电极，该多个电极包含一对或多对激励电极，每一对激励电极包含沿第一纵向轴的第一方向放置的第一电极和第二电极。该装置还包含被安排在一个或多个接触位置上的第三和第四表面中的至少一个上的一个或多个接触单元，每一接触位置至少部分地被对准在一对激励电极的第一和第二电极之间。该装置也包含与多个接触单元摩擦接触的至少一个传动单元和被连接到该一个共用电极并被连接到该激励电极对的激励源。在该装置中，压电体有沿第二纵向轴方向的第一驻波纵波的第一阶自然谐振频率(v1)和沿第一纵向轴方向的第二驻波纵波的偶数阶自然谐振频率(v2)，这里v1和v2之间的百分比差值大于0％且小于或等于20％。在该装置中，该激励源被配置成向共用电极以及每一对激励电极的第一和第二电极之一施加交变电压，以便在压电体中同时产生第一驻波纵波和第二驻波纵波。
附图说明
图1是按照本发明一个实施例的示例性压电致动器的侧视图示意图，该压电致动器被配置用于沿它的长度的第二阶纵向振动模式和用于沿它的宽度的第一阶纵向振动模式。
图2是按照本发明一个实施例的示例性压电致动器的侧视图示意图，该压电致动器被配置用于沿它的长度的第四阶纵向振动模式和用于沿它的宽度的第一阶纵向振动模式。
图3是按照本发明一个实施例的示例性压电致动器的侧视图示意图，该压电致动器被配置用于沿它的长度的第六阶纵向振动模式和用于沿它的宽度的第一阶纵向振动模式。
图4是按照本发明一个实施例的示例性压电谐振器的透视图示意图，该压电谐振器被配置用于沿它的长度的第二阶纵向振动模式和用于沿它的宽度的第一阶纵向振动模式。
图5A是频率对振幅的X-Y曲线图，表明压电谐振器沿它的宽度和高度的频率响应。
图5B是有图5A所示频率响应的系统的频率对相位的X-Y曲线图，表明压电谐振器沿它的高度和宽度的相位响应。
图6和7是按照本发明其他实施例的圆柱形压电电机各部分的示意图。
图8A画出使用单风扇和按照本发明一个实施例配置的压电谐振器的旋转泵800。
图8B和8C分别画出有相反旋转方向的两个风扇的旋转泵850的顶部和侧面视图。
具体实施方式
本发明参照附图被描述，其中在全部图中用相似参考数字标记同样或等效单元。这些图不是按比例画的，它们仅仅为示出当前发明而被提供。为了说明，本发明的诸多方面下面参照应用例子被描述。应当理解，许多具体细节、关系和方法将被阐明，以提供本发明的充分理解。然而，相关领域的一般技术人员将容易认识到，不用一个或多个这些细节，或用其他方法，也能够实践本发明。在其他例子中，熟知的结构或操作没有详细出示，以免遮蔽本发明。本发明不受出示的作用或事件的顺序限制，因为一些作用可以按不同顺序和/或同时地与其他作用或事件出现。此外，不是所有出示的作用或事件都是实施按照本发明的方法所要求的。
使用常规2-D波激励的压电电机，诸如扁的基于压电单元的电机作为压电致动器的一个基本限制，是与通常产生的接触点的直线运动关联的低效率。该低效率的理由在于该直线运动的方向一般与运动的工作台的运行方向成一定角度。结果，一般只有一部分压电单元产生的力(即该力在运动的工作台的运行方向上的投影)被施加于运动的工作台。此外，在这样的致动器中接触点的振动运动，一般是单一平面波的结果，它导致正方形压电谐振器以被定位在对角线上的接触点以一侧λ/2的膨胀和收缩。因此，这种系统一般根据结合压电单元的简单收缩和膨胀的设计而操作，限制接触点可能的数量。结果，这种设计的一个缺点是，一般不可能有大量接触点。
再有，这种设计通常使用附着于压电单元表面的一个或多个接触或摩擦点，以在操作期间提供机械偶联。然而，这样的层在声学能量从振子到传动单元转移的过程中，通常导致一些能量的内部损耗。结果，系统在这种配置中的效率通常受到有害影响。
鉴于这些限制，本发明各个不同的实施例提供一种新的压电电机。尤其是，该新的压电电机是使用驻波声波的谐振型压电电机。该新的压电电机通过在压电单元上的不同接触点提供高效纳米椭圆运动而操作，以提供压电单元或工作台的横向运动，如下面所描述。该新的压电电机的高效植根于如下事实，当各接触点作用于运动的工作台上时，这些接触点沿相对扁的椭圆路径的顶部运动。因此，通过顶着工作台的接触点施加的力的大部分，是沿一般平行于运动方向的方向。接触点上的纳米椭圆运动，与单一平面波相反，是由两种正交的驻波的叠加提供。结果，高阶模式的激励能够被实施，且能够为致动器提供大量的接触点。
用驻波声波的谐振压电电机，由旋转形变产生运动。这些旋转形变一般取非常小的纳米椭圆形式。为了用许多接触点产生运动，旋转运动的纳米椭圆必须以同样或对应的旋转形变方向被建立。例如，对于对称地被定位在压电谐振器第一侧的点，该椭圆旋转一般沿第一旋转方向，以提供沿第一直线方向的直线运动。对于在压电谐振器第二侧的点，该椭圆旋转一般沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向，以提供沿该第一直线方向的直线运动。结果，在相反部位的接触点，尽管它们的旋转方向不同，却通过沿相同方向施加力而协同地起作用。
按照本发明一个实施例的压电谐振器，包含被耦合到压电谐振器相反侧的电极和引线，用于纵向振动尤其是驻波声波的激励。该纵向振动引起接触部位的运动，这些接触部位通过压电谐振器的上和下表面上的接触单元，借助摩擦与导板相互作用。在本发明的一些实施例中，接触单元是与压电谐振器被整体地形成。该压电谐振器在压力产生装置，例如弹簧所提供的压力下，能够顶着导板被夹紧。这些接触部位被定位在谐振器的最大振动速度的地方。压电谐振器的大小和电极的位置被选定，以满足沿压电谐振器长度的压电谐振器第一方向同时形成高阶纵向振动模式的条件，以及沿压电谐振器宽度的第二方向激励第一阶纵向振动模式的条件。还有，在本发明各个不同的实施例中，沿第一和第二方向的自然频率(谐振频率)是不同的，且具有频率在沿第一和第二方向的自然频率之间的交变电压源被用于在正向或反向运动期间激励压电谐振器。
本发明各个不同的实施例将相对于图1-4被描述。图1是按照本发明一个实施例的示例性压电致动器(100)的侧视图示意图，该压电致动器(100)被配置用于沿它的长度的第二阶纵向振动模式(n＝2)和用于沿它的宽度的第一阶纵向振动模式。图2是按照本发明一个实施例的示例性压电致动器(125)的侧视图示意图，该压电致动器(125)被配置用于沿它的长度的第四阶纵向振动模式(n＝4)和用于沿它的宽度的第一阶纵向振动模式。图3是按照本发明一个实施例的示例性压电致动器(150)的侧视图示意图，该压电致动器(150)被配置用于沿它的长度的第六阶纵向振动模式(n＝6)和用于沿它的宽度的第一阶纵向振动模式。图4是按照本发明一个实施例的示例性压电谐振器(175)的透视图示意图，该压电谐振器(175)被配置用于沿它的长度的第二阶纵向振动模式(n＝2)和用于沿它的宽度的第一阶纵向振动模式。
如图1-4所示，示例性压电致动器(100、125、150、175)各包括压电谐振器(3)和接触单元(5)。示例性压电致动器(100、125、150)还包括导板(2)和弹簧(1)。操作时，按照本发明一个实施例的压电谐振器(3)的激励，引起接触单元(5)沿纳米椭圆路径(12、13)的运动。一般地说，椭圆路径(12、13)有数十到数百纳米量级的振幅(即短轴和长轴的尺寸)，并相对于运动方向一般是扁的。就是说，产生的椭圆路径(12、13)的长轴，一般沿平行于运动方向被定位。当接触单元(5)在沿椭圆路径(12、13)离压电单元最远的点上时，它们借助摩擦与导板(2)相互作用，以启动压电谐振器(3)相对于导板(2)的直线微运动。弹簧(1)向压电谐振器(3)和导板(2)提供法向力以确保适当摩擦力。当接触单元(5)在沿椭圆路径(12、13)最接近压电谐振器(3)的点上时，小的或没有摩擦出现在接触单元(5)和导板(2)之间，导致小的或没有运动。随着振动的继续，微运动被重复，这导致压电谐振器(3)相对于导板(2)的重复运动。
在本发明各个不同的实施例中，该示例性压电致动器(100、125、150、175)能够被配置成使导板(2)或压电谐振器(3)为致动器提供直线运动。就是说，不是导板(2)就是压电谐振器(3)的位置能够被固定。在导板(2)的位置被固定的情形中，压电谐振器(3)被附着于要被移动的工作台(18)。结果，接触单元(5)的纳米椭圆运动导致压电谐振器(3)和附着的工作台的运动。相反，在压电谐振器(3)的位置被固定的情形中，导板(2)被附着于要被移动的工作台(18)。结果，接触单元(5)的纳米椭圆运动导致导板(2)和附着的工作台的运动。与常用的压电致动器相反，这样的配置提供附加的设计灵活性。
在本发明各个不同的实施例中，接触单元(5)的纳米椭圆运动是由两种驻波的叠加形成，该两种驻波与压-电的谐振器或压电谐振器(3)的正交振动模式关联，使最大振动速度(9)的点对应于接触单元(5)的位置。就是说，压电谐振器(3)中两种正交振动模式的驻波达到峰值的点。这些振动模式经由与每一接触单元(5)关联的一对电极对(4a)和(4b)(统称“(4)”)提供的激励电压被激励。就是说，要沿第一方向提供纳米椭圆路径和沿第一方向对电极(4a)提供力，激励电压在电极(4a)上被提供。要提供同样的纳米椭圆路径，但沿相反方向(向着电极(4b))提供力，激励电压在电极(4b)上被提供。激励电压分别经由地或共用接触端(8)和与电极(4a、4b)接触的激励接触(6、7)之一提供，如在下面的描述。
振动模式之一是由沿压电谐振器(3)的长度(L)的第一纵向轴(10)形成的驻波产生的纵向振动。另一种振动模式是沿垂直于第一纵向轴(10)并沿压电谐振器(3)的宽度(B)的第二纵向轴(11)的纵向振动。因此该压电谐振器(3)组合两种直线谐振器-一种沿压电谐振器(3)的长度(L)起作用，而一种跨越它的宽度(B)起作用。该压电谐振器(3)因为它实现两种正交振荡的独立和同时激励，以在纵向轴(10、11)定义的平面中给出纳米椭圆运动，而因此有效地成为‘组合谐振器’。
在本发明各个不同的实施例中，两种类型正交振动之间的耦合必需被排除，以便为接触单元(5)提供最大的振动速度。一般地说，如果这种耦合出现，则代替能量被用于提供接触单元(5)的运动的，是能量从一种振动模式转移为另一种振动模式。然而，本发明人已经发现，如果该基波(第一阶)纵向模式跨越压电谐振器(3)的宽度(B)被激励，且高阶纵向谐波模式(n＝2、4、6...)同时沿压电谐振器(3)的长度(L)被激励，则该耦合能够被消除。
一般地说，跨越该谐振器宽度的第一阶纵向模式的激励条件，能够用如下方程式表达：
λ1/2＝B，    (1)
λ1×v1＝C，    (2)
这里λ1是跨越组合谐振器的宽度的波的波长，B是组合谐振器的宽度，v1是该谐振器沿宽度B的自然频率，以及C是该谐振器中声波的传播速度。沿该谐振器的长度的高阶纵向振动的激励条件，能够一般地用如下方程式表达：
n×(λ1/2)＝L，    (3)
λ2×v2＝C，    (4)
这里λ2是沿组合谐振器的长度的波的波长，L是组合谐振器的长度，n＝2、4、6、...(即振动的阶)，v2是该谐振器对应于λ2的自然频率，以及C是该谐振器中声波的传播速度。v1和v2能够按依赖于压电谐振器(3)的几何参数的各种不同方式被互相关。
在本发明各个不同的实施例中，压电谐振器(3)的相反面上的纳米椭圆(12、13)也一般地被配置成沿相反方向旋转。这样当压电谐振器(3)两侧的接触单元(5)沿相反方向同步地运动时，允许压电谐振器(3)沿相同方向推下导板(2)。例如，如图1-3所示，沿纳米椭圆(12)的运动是反时针的，同时，沿纳米椭圆(13)的运动是顺时针的。
一般地说，要提供纳米椭圆运动，使椭圆路径(12、13)的方向是相反的，在压电谐振器(3)中两种垂直驻波的形成一般是被要求的。这些驻波一般地是在每一垂直方向提供激励电压的结果。通常，这样的激励系统会要求压电谐振器的激励要使用两种不同的有相等频率的交变电压源，但相互间有大约90°的相位偏移和电极的特别排列。遗憾的是，这样的两个发电机激励系统通常是复杂的并要求保持高稳定性的相位关系，因为任何不平衡直接影响电机的基本性能。这样一般对激励系统的控制提出额外的要求并增加总体的成本。
然而，本发明人已经发现，纳米椭圆能够用操作在第三频率v3的激励源激励，该第三频率v3在v1和v2附近，但与v1或v2不重合。这样的频率允许在对着压电谐振器振动速度极大值的中心上纳米椭圆的形成，确保压电谐振器的相反侧上的相反旋转。因此，在本发明各个不同的实施例中，频率v3的一个交变电压源被用于同时激励该两种模式，无需上面描述的激励电极的特别配置。因而，单一激励源组合谐振器在本发明各个不同的实施例中被提供。就是说，纵向谐振器被沿长度提供，以及纵向谐振器被跨越宽度提供，在那里，相同的电极独立地和同时地激励该两种类型的正交振动。
虽然任何在v1和v2附近的v3能够被用于激励压电谐振器，但v3能够被选择以改进沿该两个方向振动的振幅。这一点在图5A和图5B中被示出。图5A是频率对振幅的X-Y曲线图，表明压电谐振器沿它的宽度和长度的频率响应，那里的长度约为宽度的5倍。在图5A中，那里的X轴代表谐振器的激励频率vex，而Y轴代表由激励产生的声学振动的振幅。一般地说，随着激励频率接近某一维度的谐振频率，被形成的声波的振幅也增加。一般地说，这样产生的振幅与频率有关，峰值在该压电谐振器的某一维度的谐振频率上。该响应分布在图5B中以曲线502和504示出。曲线502代表压电谐振器沿它的长度的响应曲线，而曲线504代表压电谐振器沿它的宽度的响应曲线。此外，谐振频率v1对应于跨越组合谐振器宽度的纵向振动的自然谐振频率，而频率v2对应于沿该压电谐振器长度的纵向振动的自然谐振频率。
如在图5A中所示，曲线502和504重叠。相应地，在本发明各个不同的实施例中，要沿压电谐振器的长度和宽度提供基本的激励，v1和v2之间的激励频率v3能够被选定在曲线502和504基本上相互重叠的点上。然而，如果v3也因通过考虑产生的波的相位特征而被选定，则沿长度和宽度的激励的振幅同样能够被改进。这一点以图5B示出。
图5B是有图5A所示频率响应的系统的频率对相位的X-Y曲线图，分别表明压电谐振器沿它的高度和宽度的相位响应506和508。如在图5B中所示，存在中间频率v3，在其上的激励在跨越长度和跨越宽度的振动之间得到π/2的相位差。因此，在该频率上或该频率附近激励压电谐振器，导致沿谐振器宽度和长度的两种正交振动的激励，该两种振动之间有约π/2的差。这两种振动的叠加，得到纳米椭圆在接触单元的部位上以中心对着振动速度极大值。相应地，v3的这样的选择，允许一种新的方法，用于沿压电谐振器的长度和宽度两者的振动模式的同时激励。
因此，在本发明各个不同的实施例中，通过选择压电谐振器(3)的几何尺寸，以提供压电谐振器(3)沿平行于第一(10)和第二(11)纵向轴方向的自然频率v1和v2之间的某些分离，能够用单一激励电压源提供纳米椭圆(12、13)中相反的运动。尤其是，压电谐振器(3)的几何尺寸被选择使L≠2B。这样，组合谐振器频率沿它的正交方向不再相同，而是产生两种频率v1和v2，这里v1≠v2且v1和v2按照下面表达式被分开：
v 1 - v 2 ( v 1 + v 2 ) / 2 × 100 % ≤ 20 % . - - - ( 5 )
例如，v1和v2能够按5％、10％、15％或20％被分开。结果，v1和v2之间的第三频率v3能够被选定以激励压电谐振器(3)，使它同样引起纳米椭圆被形成在压电谐振器(3)相反侧的中心上。还有，v1和v2能够被选择，使产生的响应分布基本上重叠，如对上面图5A所作描述。作为替代，v1和v2能够被选择，使相位差是π/2，如对上面图5B所作描述。这样导致准谐振状态，因为v3是在v1和v2之间。对于在该频率v3上的激励，两种纳米椭圆(12、13)被形成，且它们与最大振动速度(9)的点重合并有相反的旋转，无需安排多个电压源。这个方案简化激励系统的设计。结果，在本发明各个不同的实施例中，一般只需要频率v3的一个交变电压源。
此外，激励电压能够被施加于激励接触端(6、7)之一，使平行于纵向轴(10)的正向或反向运动二者之一被提供。在本发明各个不同的实施例中，通过激励电极(4a、4b)中适当的一个，能够做到这一点。就是说，为了提供沿平行于纵向轴(10)的第一方向的运动，压电谐振器被配置成为图1-3所示的接触单元(5)产生纳米椭圆路径(即，椭圆路径(12)的反时针运动和椭圆路径(13)的顺时针运动)。在这种配置中，激励电压经由激励接触端(6)向电极(4a)和共用电极(8)施加，而电极(4b)被允许浮动。相反，为了提供沿平行于纵向轴(10)并与第一方向相反的第二方向的运动，压电谐振器被配置成为与图1-3所示的相反的接触单元(5)产生纳米椭圆路径(即，椭圆路径(12)的顺时针运动和椭圆路径(13)的反时针运动)。在这种配置中，激励电压只向电极(4b)和共用电极(8)施加，而电极(4a)被允许浮动。
在本发明的一些实施例中，压电谐振器(3)基本上是立方形的。如在本文中所使用，术语“立方形”是指被六个面界定的实心图形。例如，该压电谐振器能够被制成矩形板的形式，它有沿第一纵向轴(10)的长度L和沿第二纵向轴(11)的宽度B。这些由宽度B和长度L(并平行于纵向轴(10、11))界定的表面，定义前(14)和后板(15)表面。这些表面沿垂直于第二纵向轴(11)的长度L，定义该板的上(16)和下(17)表面。压电谐振器(3)能够垂直该前和后板表面(14、15)被极化，以致电机的可移动部分允许沿维度L作直线运动。在这样的实施例中，接触单元(5)被放置在压电谐振器的上和下表面(16、17)上。在本发明各个不同的实施例中，压电谐振器(3)被安装在弹簧承载的导板(1、2)中，这在压电谐振器(3)的接触部位(5)和导板(2)之间提供压力接触。
在本发明各个不同的实施例中，接触单元(5)的部位或位置，由(2i+1)(L/n)定义，如上所述，这里n是纵向振动模式的阶(即n＝2、4、6、...)，而i是由(n-2)/2≥i≥0定义的整数。此外，电极(4)如前所述，被成对(4a、4b)地定位在压电谐振器(3)的前表面(14)上，以提供正向或反向运动。这些成对的电极(4a)的第一个被定位在2i(L/n)和(2i+1)(L/n)之间的位置上。这些成对的电极(4a)的第二个被定位在(2i+1)(L/n)和(2i+2)(L/n)之间的位置上。相应地，电极(4a、4b)在跨越压电谐振器(3)的长度上交替。
在本发明的一些实施例中，压电谐振器(3)满足沿长度的第二阶振动模式形成的条件，如在图1所示。在这样的实施例中，一对接触单元(5)被定位在压电谐振器(3)的上和下表面(16、17)，以一个共用电极(8)与后板表面(15)接触，又以两个其他电极(4a、4b)与前板表面(14)接触。这些其他电极(4a、4b)把前表面(14)分成两个相等电极区域，各有长度L/2，这里该第一电极(4a)被连接到第一激励接触端(7)，而第二电极(4b)被连接到第二激励接触端(6)。
在本发明的其他实施例中，压电谐振器(3)满足沿长度的第四阶振动模式形成的条件，如在图2所示。在这样的实施例中，多对接触单元(5)被定位在压电谐振器(3)的上和下表面(16、17)上，以一个共用电极(8)与后板表面(15)接触，又以两对电极(4)与前板表面(14)接触。这些电极对(4)把前表面(14)分成四个相等电极区域，各有长度L/4，这里该第一和第三电极(4a)被相互连接并连接到第一激励接触(7)，而第二和第四电极(4b)被相互连接并连接到第二激励接触(6)。
在本发明还有的其他实施例中，压电谐振器(3)满足沿长度的第六阶振动模式形成的条件，如在图2所示。在这样的实施例中，多对接触单元(5)被定位在压电谐振器(3)的上和下表面(16、17)上，以一个共用电极(8)与后板表面(15)接触，又以3对电极(4)与前板表面(14)接触。这些电极对(4)把前表面(14)分成6个相等电极区域，各有长度L/6，这里该第一、第三和第五电极(4a)被相互连接并连接到第一激励接触(7)，而第二、第四和第六电极(4b)被相互连接并连接到第二激励接触端(6)。
因此，如上所述，施加如上所述频率v3的适当激励电压到共用电极(8)和激励接触端(6)上，提供沿第一方向的运动，而施加相同激励电压到共用电极(8)和激励接触端(7)上，提供相同量的运动，但沿相反方向。
虽然本发明各个不同的实施例已经在上面就直线压电电机被描述，但图4的压电致动器还能够被用于提供圆形压电电机设计，如图6和7所示。图6和7是按照本发明其他实施例的圆柱形压电电机各部分的示意图。在这种配置中，一个或多个压电致动器沿被圆形轴定义的第一纵向轴排列，以提供基本上圆柱形压电谐振器，在该圆柱形压电谐振器中，驻波声波沿圆形轴(第一纵向轴)以及沿基本上垂直于该圆形轴的第二轴或方向(第二纵向轴)被产生。如在本文中所使用，术语“圆形轴”是指由圆的圆周定义的轴。这些压电致动器被配置成与图1-4所示的那些类似，如在下面所描述。相应地，上面对部件4a、4b、5、6、7和8的描述，用于图6和7中描述这些部件的目的已经足够。
在如图6所示的第一示例性圆柱形配置中，通过沿围绕轴X的圆形轴612同样地安排三个压电致动器602、604和606，提供压电谐振器601。再有，致动器602-606被排列成使接触单元5平行于轴X延伸。结果，在类似于图1-4中电极被安排在前表面上的配置一样的配置，电极4a和4b被安排在压电谐振器601的外表面601a上。按类似于图1-4中电极被安排在后表面上的配置一样的配置，共用电极8被安排在压电谐振器600的内表面601b上。在这种配置中，压电谐振器601的长度(L)能够被圆形轴612的圆周定义，并等同于上面对图1-4所描述的直线谐振器的长度。类似地，压电谐振器601的高度614等同于直线谐振器的宽度(B)，如上面对图1-4所描述。相应地，压电谐振器601的尺寸和激励频率能够按照上面所描述的方法被选择，以便使用施加于电极4a或4b的单一激励源，提供沿平行于612和614方向的驻波纵波的同时激励。这样的设计能够被用于旋转一个或多个转子616、618。在两个转子的情形下，弹簧或其他弹性部件620能够被用于偏移转子616和618顶着压电谐振器3，类似于图1-3中弹簧偏移导板顶着压电谐振器的方式。
然而，当这种圆柱形系统被激励时，振动的寄生径向模式也能够被激励。一般地说，由于能量耦合，压电谐振器中寄生径向模式能够抑制圆柱形压电谐振器中所有其他需要的振动模式。因此，在本发明使用圆柱形压电谐振器的实施例中，能够在两个相邻接触点5之间的一半处，引入完整的或部分的切口或狭缝610。狭缝610防止振动的径向模式的传播。结果，因为在一些实施例中，完整的圆柱不可以用压电谐振器形成，所以压电谐振器601能够基本上呈圆柱形。
在如图7所示的第二种圆柱形配置中，通过沿围绕轴X安排的圆形轴712安排三个压电致动器702、704和706，提供压电谐振器701。然而，致动器702-706被排列成使接触单元5相对于轴X并垂直于圆形轴712沿径向延伸。结果，电极4a和4b按类似于图1-4中电极被安排在前表面上的配置一样的配置，被安排在压电谐振器701的上表面701a上。按类似于图1-4中电极被安排在后表面上的配置一样的配置，共用电极8被安排在压电谐振器700的下表面701b上。因此，当压电谐振器701有圆柱形的形状时，它被配置成作为环形或圆环型形状的压电谐振器操作。在这种配置中，压电谐振器701的长度(L)能够被圆形轴712的圆周定义，并等同于上面对图1-4所描述的直线谐振器的长度。同样，压电谐振器701的环形宽度714应等同于直线谐振器的宽度(B)，如上面对图1-4所描述。如在本文中所使用，术语“环形宽度”是指环或圆环沿径向方向的宽度。相应地，压电谐振器701的尺寸和激励频率能够按照上面所描述的方法被选择，以便使用施加于电极4a或4b的单一激励源，提供沿平行于712和714方向的驻波纵波的同时激励。
然而，当这种环形系统被激励时，振动的寄生径向模式也能够被激励。一般地说，由于能量耦合，寄生径向模式能够抑制环形压电谐振器中所有其他需要的振动模式。因此，在本发明使用环形压电谐振器的实施例中，在两个相邻接触点5之间的一半处，引入完整的或部分的切口或狭缝710。狭缝710防止振动的径向模式的传播。结果，因为在一些实施例中，完整的圆柱不可以用压电谐振器形成，所以压电谐振器701能够基本上呈圆柱形。
虽然被出示的圆形压电电机的示例性实施例，只包含有限数量的压电致动器，但本发明各个不同的实施例不受这方面的限制。在本发明的其他实施例中，有任何数量接触单元和电极的任何数量压电致动器能够被使用。
本文描述的电机的应用例子，包含它的参与而成为微燃油室泵的电机单元部分。小型、经济和无噪声的空气泵作为新一代高效燃油室的一部分，一般是必需的。例如旋转涡轮泵，它使用扁的压电谐振器作为致动器，根据沿该压电谐振器的长度和宽度的纵向振动模式的激励原理工作，使附有风扇的转子旋转。然而，本文所描述的旋转泵能够与任何种类致动器装置，包含压电谐振器结合使用。
图8A画出旋转泵800，它使用单风扇和按照本发明一个实施例配置的压电谐振器。图8B和8C分别画出旋转泵850的顶部和侧面视图，该旋转泵具有提供相反的空气流方向的相反旋转方向的两个风扇、按照本发明一个实施例配置的压电谐振器。两种泵800和850的设计包含：基座51、压电谐振器52、有轴承的转子53、风扇54、弹簧55、以及燃油室单元56。
旋转泵800和850的工作如下。当压电谐振器62被电激励，它的两端随运动的椭圆轨迹振动，该运动的平面与压电谐振器62的主平面平行。受压电谐振器62的电激励的激励，以压电谐振器62的形变的组合产生振动的椭圆路径。压电谐振器62的端部在弹簧55的压力下被顶着转子53夹紧，使压电谐振器52端部的椭圆运动经由压电谐振器/转子的接触区域的摩擦，传送转子53的旋转，转子53的旋转又引起风扇54旋转。来自风扇54的空气被引向燃油室单元56，为燃油室单元56的操作提供氧气。
如果旋转风扇54的横断面面积是S＝1cm2，而压电谐振器52端部的直线运动到风扇54的旋转运动的转换系数是K＝0.4cm/rev，为确保Q＝200cm3/min的空气流所需风扇54的旋转速度n由下面的表达式确定：
N＝Q/(K×S)＝200/(0.4×1)＝500rev/min。    (6)
这种设计的优点有许多。例如，这样的泵能够被配置成非常薄、扁的和小型组件，该组件适合于作为燃油室外壳的壁的整体部分组装，或附着于燃油室外壳的壁。如果压电谐振器52的厚度小于2mm，则旋转泵600将占据量级为2-4cm3的空间，这使它能够恰巧被装配进侧边25mm的正方形区域中。如图8B和8C所示两个风扇的设计，提供增加的空气流和更高效率地向燃油室供应空气。该设计固有地是能量高效的并依赖于转子轴承的质量，转子轴承可以实际上是无噪声的。
申请人在上面给出某些理论方面，这些理论方面相信是精确的，用于解释对有关本发明实施例所作观察。然而，不用该被给出的理论方面，本发明的实施例也可以被实地应用。此外，这些理论方面虽被给出，但应理解，申请人不希望受给出的理论的约束。
虽然本发明的各个不同实施例已经在上面描述，但应当理解，这些实施例的给出只作为例子，而不是限制。在不偏离本发明的精神或范围下，按照本文公开的内容，能够对公开的实施例作出许多改变。因此，本发明的广度和范围不应受上面所描述任何实施例的限制。相反，本发明的范围应当按照下面的权利要求书和它们的等价叙述被限定。
虽然本发明已经就一种或多种实施方式被示出和描述，但本领域熟练技术人员在阅读和理解本说明书以及附图后，会出现等价的变更和修改。此外，虽然本发明特定的特征可能已经就诸多实施方式的仅仅一个被公开，但对任何给定或特定的应用在需要和有利时，这种特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合。
本文使用的术语只为描述特定实施例的目的，并不企图限制本发明。如在本文中所使用的，单数形式“某一”、“某个”和“该”也意味着包含复数形式，除非文中明确地另外指出。再有，就术语方面而言，被使用的术语“包含”、“含”、“含有”“具有”、“带有”、或其变化，无论是在详细的描述和/或在权利要求书中，这样的术语都指与术语“包括”同样方式的广范围。
除非另外规定，本文使用的所有术语(包含技术的和科学的术语)，与本发明所属领域有关的熟练技术人员一般理解的意义相同。还应当理解，这些术语，诸如在一般使用的字典中定义的那些术语，应当被解释成具有的意义与相关领域文本中它们的意义相符，而不应按理想化的或过分正式的意义进行解释，除非本文明确地如此定义。

Claims (25)

1.一种压电装置，包括：
压电谐振器体，具有相对的第一和第二表面及相对的第三和第四表面，所述第一和所述第二表面基本上平行于所述压电谐振器体的第一和第二纵向轴，所述第三和所述第四表面基本上平行于所述第一纵向轴并基本上垂直于所述第二纵向轴，且所述第一和所述第二纵向轴基本上相互垂直；
至少一个共用电极，被安排在所述第二表面上；
多个电极，被安排在所述第一表面上，所述多个电极包括一对或多对激励电极，每一个所述激励电极对包括沿所述第一纵向轴的第一方向放置的第一电极和第二电极；以及
一个或多个接触单元，被安排在一个或多个接触位置上的所述第三和所述第四表面的至少一个上，每一所述接触位置至少部分地被对准在一个所述激励电极对的所述第一和所述第二电极之间；
其中所述压电体有沿所述第二纵向轴方向的第一驻波纵波的第一阶自然谐振频率(v1)、沿所述第一纵向轴方向的第二驻波纵波的偶数阶自然谐振频率(v2)，且其中：
0 % < v 1 - v 2 ( v 1 + v 2 ) / 2 &times; 100 % &le; 20 % .
2.权利要求1的压电装置，其中所述压电体有沿所述第一纵向轴的长度(L)、沿所述第二纵向轴的宽度(B)，且其中B＝C/(2v1)和L＝(nC)/(2v2)，这里C是压电谐振器体中的声波速度，n＝2k，而k是≥1的整数。
3.权利要求2的压电装置，其中每一对所述激励电极的第一个被沿L定位在2i(L/n)和(2i+1)(L/n)之间的第一电极区域，且其中每一对所述激励电极的第二个被沿L定位在(2i+1)(L/n)和(2i+2)(L/n)之间的第二电极区域，这里i是整数和(n-2)/2≥i≥0。
4.权利要求3的压电装置，其中所述多个接触单元的所述接触位置由(2i+1)(L/n)定义。
5.权利要求4的压电装置，其中n＝2。
6.权利要求4的压电装置，其中n＝4。
7.权利要求4的压电装置，其中n＝6。
8.权利要求1的压电装置，还包括交变电压源，所述交变电压源被配置成向所述共用电极以及每一个所述激励电极对中的所述第一和所述第二电极之一施加交变电压，以引起所述接触单元的至少一部分的纳米椭圆运动，所述纳米椭圆运动基本上平行于所述第一和所述第二表面，其中被安排在所述第三表面上的所述接触单元的所述部分的所述纳米椭圆运动是在第一椭圆路径中，其中被安排在所述第四表面上的所述接触单元的所述部分的所述纳米椭圆运动，是在与所述第一椭圆路径相反的第二椭圆路径中。
9.权利要求8的压电装置，其中所述交变电压源的频率(v3)是在v1和v2之间。
10.权利要求8的压电装置，还包括被安排在所述上表面上方的至少一个上导板，以及被安排在所述下表面下方的至少一个下导板，所述上和所述下导板被放置，以便在一部分所述纳米椭圆运动期间与所述接触单元物理地接触，所述上和所述下导板在所述物理接触期间被弹性地偏移顶着所述接触单元。
11.权利要求10的压电装置，还包括工作台，而其中所述压电谐振器体和所述上及下导板中的之一有相对于所述工作台的固定位置。
12.权利要求1的压电装置，其中所述压电谐振器体基本上是立方形的。
13.权利要求1的压电装置，其中所述压电谐振器体基本上有圆柱的形状。
14.权利要求13的压电装置，其中所述压电谐振器体有狭缝，所述狭缝至少部分地沿横对所述第一纵向轴方向延伸。
15.权利要求1的压电装置，其中所述压电谐振器体和所述多个接触单元被整体地形成。
16.一种包括压电电机的系统，所述压电电机包括：
有相对的上和下表面及相对的前和后表面的压电谐振器体，所述前和所述后表面平行于所述压电谐振器体的第一和第二纵向轴，所述第一和所述第二纵向轴相互垂直，而所述上和所述下表面平行于所述第一纵向轴并垂直于所述第二纵向轴；
至少一个共用电极，被安排在所述后表面上；
多个电极，被安排在沿所述第一纵向轴的所述前表面上，所述多个电极包括一对或多对激励电极；以及
多个接触单元，被安排在沿所述第一纵向轴的接触位置的所述上和所述下表面上，所述多个接触单元的每一个与所述激励电极对之一关联；
其中所述压电体有沿所述第一纵向轴方向的驻波纵波的偶数阶自然谐振频率(v2)、沿所述第二纵向轴方向的驻波纵波的第一阶自然谐振频率(v1)，且其中：
0 % < v 1 - v 2 ( v 1 + v 2 ) / 2 &times; 100 % &le; 20 % .
17.一种压电装置，包括：
有相对的第一和第二表面及相对的第三和第四表面的压电谐振器体，所述第一和所述第二表面基本上平行于所述压电谐振器体的第一和第二纵向轴，所述第三及所述第四表面基本上平行于所述第一纵向轴并基本上垂直于所述第二纵向轴，且所述第一和所述第二纵向轴基本上相互垂直；
至少一个共用电极，被安排在该压电谐振器的所述后表面上；
多个电极，被安排在所述第一表面上，所述多个电极包括一对或多对激励电极，每一对所述激励电极，包括沿所述第一纵向轴的第一方向被放置的第一电极和第二电极；以及
一个或多个接触单元，被安排在一个或多个接触位置上的所述第三和所述第四表面中的至少一个上，每一所述接触位置至少部分地被对准在一对所述激励电极的所述第一和所述第二电极之间；
至少一个传动单元，与所述多个接触单元摩擦接触；以及
激励源，被连接到该一个共用电极并被连接到所述激励电极对；
其中所述压电体有沿所述第二纵向轴方向的第一驻波纵波的第一阶自然谐振频率(v1)，和沿所述第一纵向轴方向的第二驻波纵波的偶数阶自然谐振频率(v2)，其中：
0 % < v 1 - v 2 ( v 1 + v 2 ) / 2 &times; 100 % &le; 20 % , 以及
其中所述激励源被配置成向所述共用电极以及所述每一对激励电极的所述第一和所述第二电极之一施加交变电压，以便在所述压电体中同时产生所述第一驻波纵波和所述第二驻波纵波。
18.权利要求17的压电装置，其中所述压电体有沿所述第二纵向轴的长度(L)、沿所述第一纵向轴的宽度(B)，且其中B＝C/(2v1)和L＝(nC)/(2v2)，这里C是压电谐振器体中的声波速度，n＝2k，而k是≥1的整数。
19.权利要求18的压电装置，其中每一对所述激励电极的第一个被沿L定位在2i(L/n)和(2i+1)(L/n)之间的第一电极区域，且其中每一对所述激励电极的第二个被沿L定位在(2i+1)(L/n)和(2i+2)(L/n)之间的第二电极区域，这里i是整数且(n-2)/2≥i≥0。
20.权利要求19的压电装置，其中所述多个接触单元的所述接触位置由(2i+1)(L/n)定义。
21.权利要求18的压电装置，其中n＝2、4或6。
22.权利要求17的压电装置，其中所述交变电压源的频率(v3)是在v1和v2之间。
23.权利要求17的压电装置，其中所述压电谐振器体的形状是基本上立方形形状和基本上圆柱体形状之一。
24.权利要求17的压电装置，其中所述传动单元与所述多个接触单元之间的所述摩擦接触，包括所述传动单元与所述多个接触单元之间的直接物理接触。
25.权利要求17的压电装置，其中所述压电谐振器体和所述多个接触单元被整体地形成。
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