CN1029344C - 用于钟表的压电电动机 - Google Patents

Abstract

一种压电型电动机含相互产生相对运动的定子和转子。定子含一谐振板和产生超声振动波的装置。振动波将椭圆运动传到谐振板面周边的激励尖上，激励尖与转子的运动传递表面啮合以藉椭圆运动使转子产生运动。谐振板包括一面附有产生振动波的装置的中央圆形部分，从其伸出至少两个在边缘设有激励尖的瓣。瓣的边缘使从中央发射的振动能量集中在激励尖内，因而边缘的一侧最好是椭圆形。本发明特别适用于钟表领域里的具有低力矩高输出的电动机。

Description

本发明涉及其转动运动是由超声压电效应产生的电动机。更准确地说，本发明涉及压电型的微电动机，它包含两个相互产生相对运动并分别构成电动机的定子和转子的元件，每个所述元件具有一个在所述的相对运动中面对另一个元件的激励表面放置的激励表面，在这两个元件中的一个设有用于在该元件上产生能够将椭圆运动传递到该元件上的激励表面的尖部的压电装置，这些尖部支撑在另一个元件的激励表面上，产生这种相对运动。

这样一种电动机公开在刊物“Techno    Japan”的1986年5月的第19卷第5期上的一篇文章中。这种电动机包括一个一般呈圆盘状并含有两个平直的连接元件的定子，一个由不锈钢制成，另一个由压电材料制成。在不锈钢元件的可见面上设置一个环，一系列相互分离并与定子圆盘的轴线同心的小块体。这种电动机的转子也呈圆盘形式，该圆盘可转动地与定子同轴安装，使其一个面靠在定子块体的自由面上。也是由不锈钢制成的这种转子在面对定子块体的区域内包括有一个提供高摩擦系数的塑料环。

当定子的压电元件被激励时，它在定子块体内产生一个前进波，这个前进波沿着块体以环形方式传播，使块体的面对转子的每一个尖部按一种复合的椭圆运动模式产生一种非常小的轴向运动与一个环状运动的结合，这运动施加到转子的摩擦环上使转子绕着电动机的轴线转动地前进。

在定子块体的各尖部的运动幅度是很小的条件下，为使一个可察觉的能量可以从转子的轴线上传出，这样的运动幅度应该大于块体的面对转子的表面的不平度。目前，这个幅度的数量级是一个微米或数个微米，因此有必要对这样的表面进行非常精密的加工。

这种电动机的另一个缺点是，它需要使用两对激励电极来用异相电势对压电元件进行激励，否则就不可能在定子内产生一种前进波。这种要求使电动机的激励电路复杂化，从而提高了成本。

最后，公知的这种电动机并非很容易适应例如钟表用途所要求的低值力矩的传递，因为在这些情况下输出平平。

另一种结构的压电微电动机公开在杂志IEEE1989年第735至738页由T.Takano、Y.Tomikawa，T.Ogosawara和H.Hirata撰写的文章中。上述文章的题目是：“使用压电陶瓷环形板的超声电动机的结构和特性”，它公开的电动机包括一个具有大致平面形状并带有在其内产生超声频率的振动波的装置的第一元件，这种振动波使椭圆运动能够在其平面内传到这些元件的激励圆周尖部。

每一个激励尖部与绕着第一元件放置的圆环形第二元件的传递表面啮合以通过所述的椭圆运动使第二元件产生一个相对于第一元件的运动。

虽然它能传递的能量大于上面讨论过的结构所能够传递的能量，但这种公知的结构也存在需要极为精确的振动元件的外表面和环形元件的激励表面的外形轮廓的缺点，这两个元件需要调节到两者之间实际上不存在间隙而又要能够有相对运动。

此外，这种电动机具有与上面讨论过的现有技术电动机同样的缺点，即在它们用于低力矩的传递时需要两相激励电压并具有低的输出。

本发明的目的是克服上述的缺点，提供一种上述类型的压电电动机。

实现本发明的目的的压电型电动机包含两个相互产生相对运动并分别构成一个定子和一个转子的元件，第一元件具有大致平面形状并含有在其内产生超声频率的振动波的装置，这种振动波能将一个椭圆运动传递到在所述第一元件的平面的周边上的至少一个激励尖上，所述的激励尖与第二元件的一个运动传递表面啮合，以通过所述的椭圆运动使所述第二元件产生一个相对于所述第一元件的运动，其特征在于，所述第一元件包括一个基本上呈圆形的中央部分，其一个面贴附有产生振动波的装置，从所述中央部分伸出至少两个瓣，在这些瓣的边缘上设置所述激励尖，所述瓣的侧向边缘轮廓加工成使从所述中央部分发射的振动能量集中在所述激励尖内。

由于这些特征，大大简化了电动机的制造，因为只要在激励尖的位置上保证第一元件的尺寸精度就能满足要求，同时借助于这个元件的瓣的合适的外形轮廓，能量就可以充分地集中在这些激励尖内。从第一元件到第二元件的振动能量的传递明显地优于在现有技术中的能量传递，电动机的有用力矩有很大的增长。

本发明的其它一些特性和优点将在下面结合附图进行仅作为示例的描述。在附图中，

图1示出本发明的压电电动机的第一实施例的正视图，一半为剖视图，另一半是从外部观看的视图;

图2示出这种电动机的平面图，其上装有它的输出小齿轮的盖板已拆下;

图3示出本发明的压电电动机的第二实施例的正视图，一半为剖视图，另一半是从外部观看的视图;

图4示意地示出在图1至3所示的电动机的定子上传播的振动波路径;

图5示出第一元件的一个瓣的激励端的局部示意图，更确切地说是 示出在电动机的每个工作循环过程中由这种瓣的激励尖实现的运动路径的局部示意图;

图6示意地示出本发明的第三个实施例。

首先参看表示本发明的压电电动机的第一实施例的图1和图2。

这种电动机包含一个含有一个围绕着轴线X-X的基本上是圆形的、并在中心具有一个通孔3的底板2的定子1。底板2上有一个限定一个用于容纳一个螺旋弹簧6的圆柱形腔穴5的环形中央凸肋4。螺旋弹簧6借助于一个压入中心孔3内的并有一个弹簧6的相应端部围着它夹紧的凸缘8的栓塞7相对于底板2固定住。

底板2的中央凸肋4设在其上的表面覆盖有一层其上印电路10的绝缘材料9，该电路10的作用将在后面说明。

一个构成球轴承12的内座圈的环11用紧固螺钉13固定到中央凸肋4上。轴承12还包括固定到电动机的转子15上的外座圈14。

属于定子的螺旋弹簧6轴向伸出超出中央环形凸肋4，在弹簧的自由端部容接有一个紧固件16，这紧固件16借助于弹簧6的刚性卡紧在弹簧上。紧固件16焊在一块相对于电动机的轴线X-X径向伸展的基本上是平的谐振板17上。

这块谐振板17的与紧固件16相对的面上粘有一个圆形的并与轴线X-X同心的陶瓷压电元件18。

在图2和图4中可以看到，谐振板17包括一个有两个瓣17b从其上径向外伸的中心部分17a，每一个瓣的端部有一个激励尖17c。

每一个瓣17b由以一个恒定的径向距离沿着转子15的内圆周伸展的一段圆形边缘17d和其两个焦点F₁和F₂分别设在板17的中心和激励尖17c的尖顶（图4）的椭圆的一段边缘17e所限定。

转子15主要包含一个外环19，其内环形表面是带台阶的。在靠底板2一侧，外环具有一个形成轴向台肩的径向环状凸台20，球轴承12的外 座圈14的外凸缘21抵靠在该凸台20上。外环还具有一个跟定子1的激励尖17c相配合形成转子15的运动传递表面的轴向环形凸台22。

环形凸台22或运动传递表面的直径精确地与分隔开激励尖17c的顶点的距离相配合。应当注意到，这个距离可以容易地通过合适地修整激励尖17c的顶点而精确地实现匹配。因此，从这点来说，与现有技术的电动机相比，本发明的电动机更易于制造。

转子的外环19还包含一个环状凸缘23，其径向端表面作为通过螺钉25安装在外环19上的盖板24的支承面。

在盖板24的中心设有一个开孔26，其内压入一个小齿轮27，该小齿轮用于保证电动机的输出力矩的传递。

图2示出印刷电路10具有一定数量的朝着外部径向伸展并与一个设在转子的面对印刷电路10的表面上的摩擦触点29相配合的触点28。这样的布置能借助于连接到压电板18上的一个合适的激励电路获得电动机的步进功能，每次摩擦触点从一个径向触点28移动到另一个接点产生一次步进运动。如果该电动机打算用在钟表上-这是优选的用途之一，径向触点的数目最好是等于60。但是，这种电动机也可以按连续模式使用，在这种情况下，印刷电路和与它相关联连的摩擦触点可以不要。

图3表示本发明的电动机的另一个实施例，除了运动输出方式稍有不同外，其它所有方面都类同于图1和2所示的实施例。实际上，在这种情况下，电动机没有设置盖板，而是在环状凸缘23的内侧加工成具有内齿30的立轮（crown）。通过这些齿可与用于传递转子15的转动运动的齿轮系的一个小齿轮（未示出）啮合。

这种电动机的操作如下所述：

压电元件18通过它的两个电极（图中未示出）受到电势的作用，产生一种柱面弹性波，朝向谐振板17传递。这种波的发射中心设在谐振板17的椭圆边缘17e的焦点F₁（见图4），因而与电动机的轴线X-X重合。 弹性波被椭圆边缘17e反射，并且由于这样的边缘的特定的几何形状，这种反射波聚焦在椭圆边缘17e的第二焦点F₂上，也就是说，聚焦在谐振板17的激励尖17c的顶点上。一部分柱面波朝向谐振板的圆形边缘17d传播，被这段边缘反射，朝向柱面波的发射中心，即椭圆边缘17e的焦点F₁。

由此导致谐振板的两个激励尖17c的顶点产生一种椭圆运动，这种运动具有驱动转子15的作用（见图5）。

在本申请人制作的一种原型中，选择了下列的尺寸，应该理解到，给出的这些数值在这里仅作为示例：

电动机的外径    10.6mm

转子的内径    10mm

定子（边缘17d）的直径    9.2mm

元件18的直径    5mm

此外，精确地选择激励尖17c的基部尺寸是有利的，这个基部的以点F₁为顶点的张角A最好选成5°。元件18的厚度是0.2mm，陶瓷材料的种类可以是具有1.8nF的固有电容Co的PXE5。当施加在压电元件的电极上的电势为3V，供给该装置的能量是400Hz频率的3.2mJ。

谐振板17必须由一种其声阻抗尽可能地接近压电元件18的声阻抗的材料制成，以便尽可能有效地传递振动波。而且这种材料应该有好的耐磨性能。虽然诸如Durimphy、回火或不回火的钢、铍铜、黄铜或镍、银这样的材料都可用，但已确认铝可以获得最好的效果。但是，由这种材料制造的谐振板需要进行处理，以使它们具有所要求的耐磨性能和最终的可焊性，为此目的，先镀一层镍，然后再在中心部位镀金并对激励尖17c加一层氧化物是合适的。

在本发明的电动机的非同步特性的条件下，电动机最好包括有用于检测上述图1至3所示位置的装置。这种装置的优点是简单和通过一个 简单的信号形成操作与电动机使用同一激励。使用本技术领域人员公知的电子学知识就能使电动机按步进模式、以每秒1到60步的频率工作，角坐标分辨率为每步6度。因此，本发明的电动机特别适合于钟表用途。

为了将谐振板的质量指标保持在一个合适的数值上，谐振板最好安装在一个弹性的联接装置上，这种联接装置可以是图1至3所示的弹簧悬挂装置，这种弹簧悬挂装置只作为示例，并不作为限定条件。这种装置还具有补偿结构上的（轴承/定子、转子/轴承、谐振板对弹簧的紧固、等等）同心度的可能发生的误差的优点，从而有利于激励尖17c与转子的恒定的接触。

图6表示本发明的另一个实施例，它跟前述的实施例不同之外仅在于它包括有一个具有三个瓣17A-a的谐振板17A，其激励尖相互隔开120°。

电信号只通过两个设在平面上的电极（图中未示出）施加到压电元件上，这电信号具有正弦波形，频率是该装置的多个谐振频率中之一，并且可具有例如3至15伏的振幅。激励电压的数值对转子的速度起作用，并可最终用作这种速度的调整变量。

也可能用一个具有与正弦波信号相同频率的方波信号来取代正弦波信号来激励本发明的电动机。这样一个方波信号具有简化电动机的控制电路的优点。因而，这种电路可包含一个本业人员熟悉的具有三个或四个晶体管的电桥。

Claims (7)

1、一种压电型电动机，它包含两个相互产生相对运动并分别构成一个定子和一个转子的元件，第一个元件呈有大致平面形状并含有在其内产生超声频率的振动波的装置，这种振动波能将一个椭圆运动传递到在所述第一元件的平面的周边上的至少一个激励尖上，所述的激励尖与所述第二元件的一个运动传递表面啮合，以通过所述的椭圆运动使所述第二元件产生一个相对于所述第一元件的运动，其特征在于，所述第一元件包括一个基本上呈圆形的中央部分，其一个面贴附有产生振动波的装置，从所述中央部分伸出至少两个瓣，在这些瓣的边缘上设置所述激励尖，所述瓣的侧向边缘轮廓加工成使从所述中央部分发射的振动能量集中在所述激励尖内。

2、如权利要求1所述的压电电动机，其特征在于所述定子是所述第一元件，所述转子是所述第二元件。

3、如权利要求2所述的压电电动机，其特征在于，所述定子包含一块所述瓣和所述激励尖设置在其上的谐振板，并且所述产生振动波的装置包含固定在所述谐振板的一个面上的压电材料薄层。

4、如权利要求3所述的压电电动机，其特征在于包含一个支承件，所述谐振板通过一个弹性联接装置固定在其上。

5、如权利要求1所述的压电电动机，其特征在于，每一个所述瓣具有一个其中心在所述中央圆形部分的轴线上的圆的一段圆弧的形式的、并面对所述运动传递表面的边缘，并且这个圆形弧状边缘与一个跟另一个瓣连接的一个椭圆形轮廓的边缘连接，这个椭圆形边缘的一个焦点设在所述轴线上，其第二个焦点跟属于这个瓣的所述激励尖重合。

6、如权利要求2所述的压电电动机，其特征在于，所述转子包含一个圆环，其内侧设有所述的运动传递表面，所述圆环由一块圆形板封闭住，在该圆形板上压入一个用于传递这种运动并形成电动机的输出的小齿轮。

7、如权利要求2所述的压电电动机，其特征在于，所述转子包含一个圆环，其内侧设有所述的运动传递表面，所述圆环还包含一个用于与一个在电动机外面的传动元件啮合的带齿立轮，所述立轮形成电动机的输出。

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