CN1035647C - 压电马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电马达，尤其小厚度马达，包括一支承(2)；一固定于支承上的定子(S2)，适于被电激振以便在定子内激发振动的压电装置(10)；一安装得相对于支承转动的转子(R2)，包括一转子体，其上装有传递装置(36)，后者适于将定子的振动传到转子，以便驱动转子转动；适于将转子支承在定子上的弹性支承装(79)，其特征在于转子体由构件(D2)，构成，至少沿定子方向它能弹性变形，并至少部分构成支承装置。本发明适用于钟表。

Description

压电马达

在1991年8月30日以该申请人的名义申请的瑞士专利申请中(CH02553/91-0)叙述了能满足这样一种用途的小尺寸压电马达。表示在附图1、2和3中下面要详细说明的这种压电马达是属于标准型的，一方面，一定子与压电装置相联，另一方面一转子装在该定子上能转动。压电装置是由一种能用电激振的极化陶瓷制成的，以便在定子内激发振动，而转子则设有一些挠曲叶片，用来弹性支承在定子上。这种叶片适于确保这种振动传递到转子上。

转子经这种传递叶片弹性支承在定子上是由包括一个拱形弹簧的支承装置保证的。这种弹簧由一限位螺丝在轴向保持，限位螺丝跟一固定的阶梯转轴成螺纹啮合，阶梯转轴构成一支柱，它促使转子沿着该转轴。一转子轴承配量于螺丝头部和弹簧之间，以便使转子一弹簧组件能伴随转动。

这种马达在高度上有空间要求，以致它不能装备于本来很薄的钟表内。

JP 62247775公开了另一种压电马达，其转子不具有任何用来传递振动的挠性叶片，而只有轴向支撑在定子环形边缘上的圆盘，所述的定子具有一倾斜的外侧壁。这种结构不能提供良好传递特征的压电马达。

因此，本发明的目的是要克服上述压电马达的缺陷，提供一种结构简单、成本低廉的压电马达。

一种压电马达，包括：

一支承；

一固定于支承上的定子；

适于电激振以便在定子中激发振动的压电装置；其特征在于：

所述马达包括一个转子，它具有一个安装成相对于支承转动的管套，所述转子包括一同所述管套成整体的转子体，其上配置挠性叶片以构成适于将定子的振动传递给转子、从而驱动所述转子转动的传递装置；

适于将转子推向定子上的弹性支承装置；

转子体由沿着径向从所述管套向所述挠性叶片延伸、至少朝定子的方向能弹性变形的挠性构件构成，所述挠性构件构成所述弹性支承装置，所述挠性叶片在转子的弹性体上直接形成，并且实际上与其成为一体。

在参考仅作为例子的附图，阅读下述详细说明时，本发明的其它特点和优点将会变得明显。

图1为诸如在瑞士专利CH02553/91-0中叙述的标准压电马达的纵剖视图；

图2为沿图3的箭头II所取的视图，表示在上述瑞士专利中所述马达的转子元件的特殊实施例；

图3为沿图2中箭头III所取的侧视图，但表示与一刚性盘相联以构成一个要装于图1马达的标准转子的元件；

图4为表示本发明第一实施例的马达的纵剖视图；

图5为从上看图4马达的视图；

图6为沿图4和7箭头所取的示图，仅表示装于本发明的马达的转子体和传递叶片；

图7为沿图6箭头VII所取的侧视图，表示图6转子体一叶片组件的静止位置；

图8为一纵剖视图，表示本发明第二实施例的马达；

图9为图4转子和定子的侧视图，但以不同的比例尺表示，以便更清楚了解该图；

图10为图4和8的定子的半横剖视图，以实线表示静止位置，用点划线表示当该定子按照本发明的第一振型激振时，其变形的二个极端位置；

图11和图12为本发明定子变形幅值变化曲线，分别为定子半径和其角度方位的函数；

图13为类似于图10的半横剖视图，但表示本发明的第二振型；

图14和15为相似于图11和12的相应视图，但表示当按图13振型振动时定子幅值变化的曲线。

参照图1，以下叙述诸如在瑞士专利申请CH02553/91-0中叙述的标准压电马达。

这种由总标号M1表示的马达包括一支承2，在该例子中，它是由埋置的底座4，特别是由从其上突出的压配合的阶梯轴或支柱6构成的。

支柱6有一根形成几何旋转轴线的几何轴线X1，围绕它转子R1可以转动。底座4和支座6皆由诸如黄铜或不锈钢合金的金属制成。

这样底座4和支柱6组件构成了一种固定的构件，成为该压电马达的支柱。

马达M1还包括一定子S1，它也通过压配合或胶结固定地安装在支柱6上。

在该定子上装有压电装置10，这一方面由一诸如按其厚度均匀极化的陶瓷压电元件10a构成，另一方面，由二个电极10b和10c构成，二电极以标准的方式耦合于在这里用简单方式表示的电源AL。

这样，压电装置10构成了一变换器，它响应由电源AL经电极10b和10c提供的电激振，可确保一种振动。在这种马达中的这一压电现象以及这些压电变换器的结构和配置对熟悉该技术领域内的人员来说是公知的，因此在这里不再详细叙述。

定子S1是由一圆盘12构成，该圆盘在其中央有一通孔14，在该例子中，它固定在支柱6上。圆盘12，它构成定子S1的框架，沿轴向支柱支承在该支柱的肩16上。

特别在图1中可以看到，面向底座4配置并称作背面的圆盘12的面F1在其中央部位是挖空的，以便留下一个向底座4开口的肓穴或平底锪孔18。

在圆盘12的背面F1上接合一环形突缘20，形成凹穴18，在突缘上固定安装着压电装置10，它也呈环形。

至于转子R1，它沿轴向支柱支承在圆盘12的与面F1相反的面F2上，同时，经中心孔32跟支柱6自由啮合。

转子R1包括一转子体，在该实施例中，它由一薄圆盘D1构成，薄圆盘由诸如金属，陶瓷或硬塑料材料制成。在这一结构中，圆盘D1构成一刚性支承构件，能与耦合装置(未示出)啮合。

该压电马达M1还包括运动传递装置36，适于将定子S1的振动传递到转子R1上，并使转子R1绕其轴线X1在其垂直于旋转轴线X1的中间位移面Pdm内运动。

该传递装置36由挠曲叶片38构成的可弹性变形元件制成。在图1的实例中，该挠曲叶片38埋置于构成转子R1支承构件或转子体的圆盘D1中。

继续参看图1，可以看到转子借助于支承装置39沿轴向被推向定子S1。能使转子R1在定子S1上轴向支承的装置39在这里是由安装于支柱6上的拱形弹簧42构成的，并由一滚子轴承44沿轴向推动，滚子轴承44本身配置在支柱6上，并由一安装在所述支柱自由端的限位螺丝V1保持在支柱6上。该支承装置能通过螺丝V1的拧紧或松开使转子R1在定子上的支承压力得以调节。

图2和3表示上述瑞士申请中所述转子的特殊实施例。

在该实施例中，可弹性变形元件36由在整个圆盘52上形成的向后弯的挠曲叶片50(其中仅一个标以标号)构成，这样，后者实际上是整体的。圆盘52被安装在圆盘D1下面，D1构成转子体R1，它刚性地固定于其上。

在该实施例中，挠曲叶片50是通过冷变形作业、尤其通过挤压圆盘52的周围形成的。

往后参看图4至15，以下将叙述本发明的压电马达。在这些图中采用跟前图相同的标号，以指示类似于前述的元件。

首先，将叙述示于图4和5的在其上标有总的标号M2的本发明第一实施例的压电马达。

马达M2包括一个安装于埋入底座4内的定子S2上绕其几何轴线X1旋转的转子R2。

定子S2包括一个确保转子R2支承的支承构件，这一构件基本上由一固定在底座4上的环形悬板P2构成。板P2一方面由一弹性变形圆盘60构成，在圆盘下固定压电装置10，它具有0.1毫米数量级的薄的均匀厚度。

平板P2另一方面包括一管状圆柱形管62，自圆盘60上凸出来，实际上是和圆盘成一体的。管62通过压力装配或胶结而牢固压入底座的一个未标注的孔内。

管62包括一中央通孔64，在该孔中压入一光滑的圆柱限位支柱V2，由于在支柱上形成二个同轴线的轴颈(未标标号)，它确保了转子R2在绕轴线X1的转动中的轴向保持和定中。

为此，转子R2包括一个以刚性构件安装在支柱V2上能绕轴线X1旋转的阶梯形管套66。

管套66包括例如由配置在管套圆周上的外齿67构成的机械驱动装置。齿67用来跟一个要被驱动的机构啮合(未示出)。

管套66还包括在齿67下面(设想马达M2在图4所示的位置上)的带凸肩的轴颈68，转子体R2固定啮合于其上。

按照本发明，转子体R2基本上以一种有利的方式由一穿孔的弹性圆盘D2构成。

正如在图5和6上更具体看到的，圆盘D2包括一环形中心部分70(图6)，它包括一中央开孔71，中心部分经该开孔连接于管套66上，与带凸肩的支承面68固定啮合。

圆盘D2还包括一圆周环72，其上制出挠曲叶片50。

此外，圆盘D2包括挠曲臂74，例如这里有4个，其中一个标以标号，它们弹性地将中心部分70跟圆周环72连接。由挠曲叶片50构成的传递装置36自圆周环72向定子S2突出，挠曲臂74、中心部分70以及环72实际上是一体的，并构成一单块转子件。要说明的是圆周环72、挠曲臂74和中心部分70有相同的厚度，且在静止状态(图7和9)被配置在同一平面内(未标出)。

因此可以理解，转子体R2是由至少朝定子S2方向可弹性变形的一构件组成，该构件至少部分构成转子R2在定子S2上的弹性支承装置79。该装置也是部分由管套66构成的，管套将圆盘D2沿轴向推向定子，由埋入的支柱V2的未标注的头部将圆盘保持在与X1轴线成轴对称的状态。

换句话说，转子体R2基本上是由可弹性变形的圆盘D2构成的，D2以整体方式形成所述传递装置36和弹性支承装置79。

如在图4所看到的，处于装配状态并准备工作时，在支柱V2作用下，管套66使转子体R2产生永久变形，转子体被加上预应力，以确保成为盆形。

此外，要说明的，压电装置10的电极10b和10c两者在前凸块上有一填满的整体结构，即没有切断，没有如在标准构件中的情况那样，由极化的分割部分制成。

这里，要说明的，构成定子S2的圆盘D2最好由诸如黄铜、不锈钢合金或铝的金属材料构成。合理地涂以一薄层硬材料，尤其是铬或钛的氮化物。电极10b和10c最好由镍或银制成。

下面参看图9，那里会给予有关转子R2和定子S2的一些更具体的说明。

挠曲叶片50自转子R2上特别是从圆盘D2上以某一倾斜角向定子S2的正面方向凸出来，其起点有一平行于旋转轴线X1的直线。最好，β角处于10°至30°之间。

此外，每一具有平行六面体的挠曲叶片50自转子R2上凸出一长度Lcs，Lcs最好从0.1至0.5毫米之间选取。每一叶片50的厚度ec最好处于0.025至0.1毫米之间，宽度lc处于0.1至0.3毫米之间。可以看到，介于转子R2和定子S2之间的挠曲叶片50竖立并且直接支撑在定子S2的正面F2上，正面F2是平整的，没有伸出或凸出的元件。

挠曲叶片50由诸如铜铍合金或不锈钢合金的材料制成。

下面参看图10至12，以下通过实例叙述本发明定子的第一振型。

从表示在图10上的定子的半剖视图清楚看到的，定子S2在用标号A1标记的静止位置的二侧有一挠曲变形。这种弯形是采用极夸张的手法用高、低端位置B和C表示的，而实际上在定子末稍(尖端)它并不超过脉动值5微米。这一变形使定子S2呈盆状。这一盆状变形是由于压电装置10在定子S2内产生的弯应力所致。这种弯应力是由于压电装置10在定子S2上的刚性装配形成的不均匀双压电晶片结构所致。

这里要说明的是，为了获得所寻求的定子S2的变形，采用一种特别适用的陶瓷，以便当通过电极将特定的电激振施加于其上时呈径向变形。更确切地说，选择一种有高压电常数D31的陶瓷。这一常数代表了相对于该应用领域所得的变形。

这种振动是属于轴对称型的，并为该定子提供同型的变形。这由图11的曲线C1和C2所证实，其中看到，作为其半径Rb的函数的定子S2的幅度变化Amp属于同一正负号，这就是说，自定子的中心向其末稍增高。

可以看到，曲线C1和C2表示既没有拐点，也没有经幅值为零的线段。这种振型使定子S2上不出现节点圆。这一特征由曲线C3至Cn所证实，这些曲线显示了除零外的所有的幅值。这些曲线C3至Cn表示作为其角度位置函数的定子的幅值变化，这种变化是作为相应于图11的曲线C1的正幅值变化而被测定的。此外，可以看到，这些曲线是直线，它们之间完全平行，这表示这种振型不产生波节直径(nodal diameter)。其中一条直线具有国际标准振动Bnm(n为节点圆数，m为波节直径数)的型式Boo。

还要说明，这种振动和轴对称变形是以旋转轴X1为中心的。这样就提供了一种平面步进马达，也就是说，具有基本上平的和叠置形式的定子和转子，这种马达，由于轴对称运动以旋转轴为中并沿其定向，基本上具有相对于轴线X1轴向振动的型式。

由于这些振形和轴对称变形的幅值甚小，定子S2的各点，例如自Pt1至Pt3(图9)至少在沿X1轴线的凸台上产生一种沿平行于旋转轴线X1方向的基本线性位移，在给定的半径(例自Rb1至Rbn)和相同相位上转子上内接各圆的幅值相同。

在定子的某一点上，尤其是在定子和转子之间的接触区域，本发明的压电马达的轴对称振形提供了速度分量T(在图9上表示仅3个，T至T3)，基本上垂直于转子R2的位移平面Pdm。定子S2由于极低的振幅，在位移平面Pdm内无明显的速度分量。这样，它没有径向、离心或向心式的加速度，这可能是很有意义的。也可明显看到，这种定子并没有任何切向加速度，相反，在具有前进波或驻波振形的标准压电马达的定子中发现有这种加速度。

图13表示当经受本发明的第二轴对称振型时定子S2的变形，标号D表示静位置，而标号E和F则表示定子被激振时在其变形端位置的状态。这种振动今次具有节点圆，以半径Rb3特别标出(图14和15)。实际上可以看作，图14的曲线C1和C2通过幅值为零的一点，表志定子中的振动节点。图15曲线C3至Cn表示定子S2振形和变形的轴对称特性，表明对于某一给定的定子半径Rbx，定子的每一内切圆超过360°的范围有一不变的幅值(峰值)，图15的曲线C3至Cn为相互平行的直线。这些曲线C3至Cn表示定子幅值的变化是其角度位置的函数，这些变化是对相应于图14的曲线C2的幅度变化测定的。这种振形在定子上并不形成任何节点直径。这样，这种振形属于B10型。

为了得到B00和B10型的这种轴对称振形，在选定定子和压电装置的尺寸后，例如图9的状态，通过电源AL产生频率为F的交流电，这种振型的尺寸和频率具有如下值：

振型B    毫米    振型B  毫米

Hb       0.2          0.2

hb       0.1          0.1

Rb       2.5          2.5

ra        1            1

ha       0.1          0.1

la       1.5          1.5

千赫(10³赫芝)   千赫(10³赫芝)

F14               94

其中Hb为定子的总高度(圆盘60加压电装置10)；hb为圆盘60的高度，也就是没有压电装置10的定子的高度；Rb为定子的最大半径(在圆盘60周围测量)；ra为构成压电装置10的圆环的较小的半径；ha为压电装置10的总高(这里电极的厚度被忽略)；la为压电装置10的宽度；F为定子2的振动频率。圆盘60在此例中是由不锈钢合金制成，而压电元件10a是由PZT型压电陶瓷制成(搀铣钛酸铅)。由于这里已叙述3轴对称振型的二个变型(B00和B10)，可以理解，本发明马达的振型可被统一为Bxo型符号，其中X可以0至n变化。

在操作中，压电装置10由电源AL激振，使其振动，压电装置的径向振动分量按照熟悉该领域的人员所知的不均匀双压电晶片原理(heterogeneous bimorph principle)，使圆盘60产生一挠曲振动。

电源AL提供一个具有相应于所需振型Bxo谐振频率的F频率的交流信号。

这样，定子S2作为一个整体以相应于轴对称振动的振型Bxo的谐振而被如前所述那样激振。

由于所得的峰值，定子的挠曲变形、从而定子上每一基本点(尤其是凸台上沿X1旋转轴线)的基本线性位移被转变成一种在位移平面Pdm内转子R2的伴生旋转位移，而这是由于由挠曲叶片50形成的弹性变形元件36所致。被激振的元件36挠曲并在转子R2中引起切向于定子周边的速度分量，它平行于转子R2的位移平面Pdm并位于其内。

这样，由挠曲叶片50形成的弹性变形元件36构成了运动转换装置，它能传递并同时将定子的基本轴向线性运动转换成转子的垂直转动。

下面参照图8，其中采用了相同于前图中的标号，以便识别前述的元件种类，以总标号M3标出的本发明马达的第二实施例将在下面叙述。

马达M3包括一定子S3，如前所述，定子装有压电元件10和圆盘60。在该定子S3上装有转子R3，转子体相同于转子R2，它包括一挠性穿孔圆盘D3，其结构同圆盘D2。

转子R3的特点在于它包括一个压在驱动转轴82上的阶梯管套80，转轴和定子S3垂直，穿过实际上跟悬板P3的圆盘60成为一体的管84。

管套80仅用于支承挠性穿孔圆盘D3，以便在弹性应力下使其推向转子R3的板P3，如图8所示。

驱动转轴82配有第一导向装置86，导向装置由安装成在轴承88内转动的轴尖(同一标号)构成，在此例中，轴承由一块压入第二支承件89的钻石构成，第二支承件由一在这里部分表示的底板或钟表运动臂构成。

转轴82由第二导向装置90支承，以便转动，第二导向装置由在转轴82上形成的并安装成在轴承92内旋转的圆柱支承面构成，轴承92也由一压入在管84内形成的未标注的锪孔内的钻石构成。可以看到，管84本身被压入一底板或构成定子S3的支承2的臂94内。

还要说明，被安装得经管套80能和转子R3一起转动的驱动转轴82，为了确保它绕轴线X1的导向，被安装在支承件2的内部，至少能旋转，驱动转轴垂于支承件2，以便自其外表凸出来，跟一机械啮合装置96结合。

这一机械啮合装置96例如由一种带外齿的小齿轮构成，后者适于跟欲被驱动的机构(未表示出)啮合。

定子S3例如具有如前述的同样的振型，马达M3和M2例如具有相同的尺寸。

Claims (9)

1.一种压电马达，包括：

一支承(2)；

一固定于支承(2)上的定子(S2，S3)；

适于电激振以便在定子(S2，S3)中激发振动的压电装置(10)；其特征在于：

所述马达包括一个转子(R2，R3)，它具有一个安装成相对于支承(2)转动的管套(66)，所述转子包括一同所述管套(66)成整体的转子体，其上配置挠性叶片(50)以构成适于将定子(S2，S3)的振动传递给转子(R2，R3)、从而驱动所述转子转动的传递装置(36)；

适于将转子推向定子上的弹性支承装置；

转子体由沿着径向从所述管套(66)向所述挠性叶片(50)延伸、至少朝定子的方向能弹性变形的挠性构件(D2，D3)构成，所述挠性构件构成所述弹性支承装置，所述挠性叶片(50)在转子的弹性体上直接形成，并且实际上与其成为一体。

2.按权利要求1所述的压电马达，其特征在于，该转子体基本上由易挠曲的圆盘(D2，D3)构成。

3.按权利要求1所述的压电马达，其特征在于，该转子体基本上由一穿孔圆盘构成。

4.按权利要求2所述的压电马达，其特征在于，构成转子体的圆盘(D2，D3)包括一些跟转子中心部分(70)弹性相连的挠性臂(74)和一个在挠性臂上形成的圆周环(72)，所述挠性叶片(50)从圆周环上加工出来。

5.按权利要求2所述的压电马达，其特征在于，该转子体基本上由一穿孔圆盘构成。

6.按权利要求5所述的压电马达，其特征在于，构成转子体的圆盘(D2，D3)包括一些跟转子中心部分(70)弹性相连的挠性臂(74)和一个在挠性臂上形成的圆周环(72)，所述挠性叶片(50)从圆周环上加工出来。

7.按权利要求1所述的压电马达，其特征在于，所述管套(66)具有一带凸肩的轴颈(68)，转子体(R2，R3)固定连接在其上。

8.按权利要求7所述的压电马达，其特征在于，所述转子体(R2，R3)是由挠性圆盘构成的，所述挠性圆盘具有一环形的中心部分(71)。

9.按权利要求1所述的压电马达，其特征在于，所述管套(66)是由连接在定子上的带头部的支柱来轴向支承和旋转导向的，所述管套常态下推压所述转子体并使之受到预应力变形，由此确保形成盆形。

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