CN1111020A - 压电电动机的转子的位置检测器 - Google Patents

Abstract

一种特别适用于时计的压电电动机，包括定子， 所述定子包括能引起其内振动的压电激励装置，转 子，安装成相对于定子转动，转子包括本体，本体上组 装了形成传递装置的挠性翼片，配置成把定子的振动 传递给转子，且旋转驱动这个转子，挠性翼片相对于 定子沿着移动路径而运动，以及转子的角位置检测 器，检测器是接近移动路径及与之一致地配置的，检 测器是由一个或数个能跟踪所述翼片的通路的压电 传感器所组成的。

Description

本发明涉及压电电动机，尤其是驻波型压电电动机，这种电动机配置了振动定子，振动定子适合于使具有竖立在其上的翼片（挠性脚）的转子旋转，这种电动机包括能提供有关转子角位置的信息的位置检测器。

具体地说，本发明涉及小尺寸及适用于时计的上述压电电动机。

公知的压电电动机一方面包括定子，另一方面包括转子。定子上装有压电装置，例如配置了适合于受电激励的激励电极的极化陶瓷。转子沿轴向放置在定子上，转子组装成绕与待驱动的机构机械耦合的传动轴、相对于定子旋转。

在从电极所接收到的电激励的作用下，陶瓷把振动传递给定子，定子使布置成弹性地压在其上的转子引起旋转位移。

在这种异步电动机中，转子转动后的角位置本质上是不知道的，如果转子要驱动时计的指针或日期盘，这是主要的不便之处。

在日本专利申请JP-A-60  113675中，公开了一种用于时计的压电电动机，它包括了一个转子的角位置检测器。这种电动机以公知的方式包括定子和转子。定子上装有数个配置了电激励电极的压电元件;转子相对于定子旋转地组装、以及设有一个或若干个孔。在转子中形成的孔上装有发光二极管（LED），它被固定在独立的基片上，基片则固定地附装到电动机上。光敏晶体管旋转在位于转子下方的一块基片上，与发光二极管成直角且相对准。当发光二极管发出的光穿过转子的孔时，光敏晶体管就会接收这种发射的光，因而就能检测转子的角位置。

配置了这种检测器的电动机的体积颇大。此外，这种电动机包括大量的零件，这使其价格上升，可靠性下降。

从文献JP-A-60  51  478中知道了检测转子位置的另一种方案。它提出的转子位置检测装置包括由固定电刷组成的电触点系统，电刷摩擦一个动盘，动盘上形成60个导电触点（收集器）。这种检测盘在张力作用下固定到转子上。这种装置也存在因为有许多零件所引起的不方便之处。此外，组装这种电动机是相当复杂的，因为检测盘必须在转子上对中及必须处于张力作用下，而且每个电动机都必须这样做。另外，电刷和触点之间的接触会引起反抗转子转动的摩擦力，使电刷会迅速磨损。

此外，触点表面的磨损情况难以控制，由这种磨损引起的尘埃粒子的存在会妨碍电动机的正常工作。

本发明的目的是提供一种压电电动机，这种电动机包括一种位置检测器，这种位置检测器体积小、制造简易、成本低廉，从而找到了对于这些不方便之处的补救方法。

为此，本发明的目的提供这样一种压电电动机，这种电动机包括定子、转子和转子角位置检测器。定子含有能引起定子内振动的压电激励装置;转子则安装成相对定子转动。所述转子有一个本体，本体上组装有形成传递装置的挠性翼片（flexion tabs），配置成把定子的振动传递给转子，以及旋转驱动这个转子，这些挠性翼片沿着相对于定子的移动路径而运动，所述电动机的特征在于，检测器接近所述移动路径且与之一致地配置，检测器是由一个或若干个能跟踪所述翼片的通路的压电传感器所组成的。

这样就可以理解，利用反向的压电效应，就能检测转子的角位置，而这是由于有一个或若干个压电位置传感器。

本发明另一个目的是提供定子、尤其是用于这种压电电动机的定子的制造方法，这种电动机中配置了由例如硅的可切削加工材料所组成的盘，利用几组适当的掩模把若干层压电及导电层淀积这个盘上，所述各层经过切削加工，以获得压电激励区，这个方法的特征在于，在切削加工步骤期间，至少一个压电检测区是与压电激励区同时形成的，从而形成转子的角位置检测器。

本发明的其它特点和优点在阅读了以下的详细说明及参阅通过实例所示出的各实施例后就会显得更清楚。其中

图1是根据本发明的电动机的示意剖视图;

图2是所述电动机的部件分解图，其中更清楚地示出了定子下方所配置的有源压电层;

图2a示意地表示图2所示定子的振动模式。

图3是形成图1和图2中所示电动机转子的挠性盘的顶视图。

图4示意表示振动模式的畸变信号，这种信号表示根据本发明的电动机转子的翼片的位置，

图5是沿图2的箭头IV所截取的视图，表示根据本发明电动机的第一实施例的定子的底视图;

图6是与图5相类似的视图，但表示根据本发明电动机的第二实施例的定子。

图7A至7F是表示根据图5所示的第一实施例的定子的制造过程的示意图，以及

图8A至8F是表示根据图6所示的第二实施例的定子的制造过程的示意图。

参照附图，下文将以一般方式描述根据本发明的压电电动机，且用总的标号M表示这种电动机。

电动机M包括定子1，其振动部分V例如是由经过微切削加工的硅板所形成的。

电动机M还包括转子4，转子4安装成绕几何转轴X相对于定子1转动。

定子1包括沿定子厚度配置的空腔或“槽”6，旨在形成内部安装转子4的外壳。呈圆形的空腔6是利用容积微切削加工技术直接在定子1的本体上挖成的，具体地说是通过在硅上面进行一定时间的化学腐蚀而实现的。这种硅切削加工技术是众所周知的，本文就不再以更详尽的方式予以描述。

如在图1和图2中具体见到的那样，转子4沿轴向位于空腔6的底部，该底部呈膜片8的形式，压电激励装置E从外部紧贴膜片8而固定，膜片8形成定子1的振动部分V。

膜片8的厚度很薄，只有0.01mm至0.02mm。

压电激励装置E是为了引起定子1、具体地说是膜片8的振动所构成的，压电激励装置E是通过淀积薄层而形成的，薄层包括两个（特别是金属）导电层E1和E3以及压电材料层E2，导电层E1和E3是从铝获得的，形成了电极，压电材料层E2就插在其它两层之间;这些薄层是利用称之为表面切削加工的切削加工技术进行切割的。这种压电装置E的工作情况是众所周知的，本文就不作更详尽的描述。

要指出的是图2中压电装置E是紧贴膜片8的外部而配置的，由于薄层的淀积，这种装置在膜片8上只构成0.005mm数量级的很薄的额外厚度。

这里定子1还包括呈加强皇冠状标以标号12的外罩，它构成了定子1围绕膜片8的机械骨架。

至于空腔6，取张开的通向外部的、尤其是向图1中所示的电动机位置的顶部开口的锥形盆状比较好。

正如所要指出的，在这个图中转子4沿其厚度整体地包含在定子1内，具体地说是包含在空腔6内，因此定子1-转子4组件在电动机上不形成任何额外厚度，而且通过把一个部件叠盖另一个部件而构成一个整体单元。

具体地说，定子的皇冠状周缘12及膜片8构成了单一的部件，由于它们是由一块公共的平板一起形成的，而且是通过对平板进行化学腐蚀而获得的。

转子4安装成通过传动轴14相对于定子1转动，在这个实例中传动轴14上固定了标以标号10的分针。

转子4包括了本实例中以挠性穿孔盘4a（图3）的形式所获得的本体。挠性穿孔盘4a包括了利用摩擦接触直接竖立在定子1的膜片8上的倾斜翼片或挠性脚4b。这些翼片4b把定子的振动传递给转子4，且旋转驱动所述转子。这些翼片是由弹性材料组成的。

为此，转子4、具体地说，盘4a包括中心轮毂4c，若干径向弹性臂4d从中心轮毂4c延伸固定到圆环4e，翼片4b就直接形成在圆环4e上。固定环16（图1）紧固到中心轮毂4c上。轴14通过公知的导向装置安装成可在盖18内转动。

如上所述，压电激励装置E利用几组适当的掩模（图7A-7F及8A-8F）经过淀积，由在膜片与b相对一侧的下方的薄层所组成。

此外，定子1通过若干导电间隔件9而耦合及固定连接到印刷电路板24。间隔件9例如是通在电路板上淀积几十微米的导电材料而获得的凸缘，这些间隔件用作定子的机械支撑。印刷电路板24包括以公知方式通过沉积铜所形成的电连接轨道（未示出）。这些轨道形成于印刷电路板上，以与定子的标以标号11a、11b的轨道或连接线局部地各自重合，这些连接线分别对压电激励装置E的电极E1和E3进行激励。

配置在定子上的导电轨道是由铝所组成的，是在利用适当的数组掩模（未示出）淀积电极E1、E2和E3期间，作为膜片8下面的薄层淀积而成的。

本发明的压电电动机的定子1除了压电激励装置E之外，还配有一个或数个所谓的检测传感器的压电传感器D，配置成用来检测转子4的角位置。

图2a示意表示如图2所示的根据本发明的电动机M的定子1的振动模式。定子1的振动模式对应于一个或数个检测传感器D位置的最高点方便地设置成使得它们与转子4的挠性翼片4b的通路相接近及相一致。

这样，翼片4b就会与膜片8相互作用，因而使振动模式稍微畸变。可以对这种畸变进行检测，以便获得表示翼片4b位置的电信号，下文对此会作更详细的说明。

具体地参照图2和5，下文描述根据本发明的电动机的位置检测器的第一实施例。

如在这些图中可以见到的，定子1外部不仅固定着压电激励装置E，而且固定着一个或数个检测传感器D，这些器件是采用相气淀积（phase vapour deposition）（PVD）技术的传统切削加工处理而配置的。这些压电检测装置D也是由插在导电层D1、D3之间的压电层D2所组成的，导电层D1、D3例如是金属层，且形成电极。这些电极通过连接轨道或导线13a、13b连接到电路板24，使得它们可以受到激励（图1）。压电装置E限定激励区2，激励区2呈圆形，位于平板形成的定子1的中央。采用平面加工技术，可以同时制成激励区2和一个或数个检测区3（本文中示出了两个检测区），检测区是利用由相同压电材料形成的一个或数个传感器D来实施的。在图5中，可以见到一个或数个检测区3径向定位在定子1的径向边缘5和激励区2之间。各检测区3最好定位成与转子4的翼片4b的通路相一致，且刚好位于转子4的翼片4b的通路的下方。

因此，这种布置就构成了一个由有源压电层、即激励区2所组成的中心圆，中心圆为非有源自由区所包围，非有源自由区本身则为一个或数个有源压电层、即检测区3所包围。

具体地说，由定子旋转驱动的转子4及其翼片4b在膜片8上沿着与激励区2同心的圆形移动路径C运动。在所示的实例中，各检测区3与移动路径C一致地设置。转子4的翼片4b在其通过期间会经膜片8作用于（solicit）每个检测区3，通过反向的压电效应，该检测区借助于未示出的连接轨道而传递表示转子4角位置的电信号。

图4中示出了这种用来确定翼片4b的位置的电信号。各最大值或脉冲表示在翼片4b通过检测区3的时刻定子1的振动模式的畸变，这些最大值或脉冲可以用未示出的具有公知结构的电子数字装置计数，以便知道转子相对于定子1的角位置，它是转子4的翼片4b的数量的函数。信号的周期因而取决于转子的转速、转子翼片的数量以及这些翼片之间的距离，信号的周期用标号T表示。

在每个转子翼片4b在其中一个检测器D上通过或接近其中一个检测器D期间，形成检测器D的各检测区3能局部地测量由转子各翼片4b个别施加的力所引起的（见图2a）的膜片8的形变及振动模式的畸变。

参照图6，现在就描述根据本发明的压电电动机的第二实施例。

这里，定子1A也是由例如具有膜片形状的硅板的板件所组成的，而且是以与根据第一实施例的定子相同的方式制造的。

可是，激励区2A不再是中心地设置的，而且最好位于转子4的翼片4b的通路的下方，激励区2A的形状呈局部环状。事实上，这个激励区并不构成整个环，环的一部分形成了检测区3A。因此，检测区就并入激励区的环内，与激励区形成一个完整的环。这个检测器的作用与上述检测器的作用相同。因此，获得一个由压电层所组成的环，其中主要的部分用作激励区2A，而其余较小的部分是压电环的一部分，作为检测区3A。规定了两个区2A和3A是电绝缘的。

图7A-7F示意地表示根据第一实施例的定子制造过程的步骤。首先（图7A），例如形成一个硅盘，用作定子。这个盘可以经过初始处理，以获得如图7B所见到的那样的定子，但是也可以在淀积压电层（见图8F）后形成定子。接着，用光刻方法及化学切削加工方法所构成的导电层E1、D1（图7C）例如用一组适当的掩模进行淀积。这个盘通过对它表面化学腐蚀（图7E）使其表面经受微切削加工而进行切削。首先未受掩模20保护的那一层的保护部分受到腐蚀，移去掩模（图7F）。此后，淀积压电层E2、D2（未示出），以相同方式进行处理，跟着是第二导电层E3、D3，第二导电层E3、D3也是用光刻结构及化学切削加工方法而形成的。由于适当的一组掩模，这样不仅获得了激励区2，同时也获得了检测区3。因而要理解的是，结构与激励装置E相同的各检测器D，其厚度具有与激励装置E的厚度相同的数量级，即大约0.005mm。

图8A至8F示出了根据第二实施例的定子1A的制造过程类似的步骤，其中适当的掩模21用来获得激励区2A和检测区3A，激励区2A和检测区3A处于压电材料组成的同一个环内。这里最初已经使各薄层及适当的掩膜淀积在盘上，接着用化学切削加工（图8F）形成膜片。

因此根据本文以上所述的内容，就能理解可以把形成至少一个检测器的一个或若干个检测区的制造过程直接并入激励区的制造过程，这种检测器能检测转子的角位置，从而有利地代替了外部编码器。最后，获得了一种容易制造的紧凑的组件，配置了检测器的压电电动机的制造过程就是简单地变换用来获得激励区的掩模而完成的。因此，通过减少部件数量就可以获得重大的节约，从而简化了如上所述的配有转子的角位置检测器的压电电动机的结构及组装。

Claims (10)

1、一种压电电动机(M)，包括：

定子(1)，所述定子(1)包括能引起其内振动的压电激励装置(E)，

转子(4)，安装成相对于该定子转动，所述转子(4)包括一个本体，该本体上组装了形成传递装置的挠性翼片(4b)，配置成把所述定子(1)的振动传递给所述转子(4)，且旋转驱动这个转子，所述挠性翼片相对于所述定子(1)沿着移动路径(C)而运动，以及

转子的角位置检测器，

所述电动机的特征在于，所述检测器(D)是接近所述移动路径(C)且与之一致地配置的，所述检测器(D)是由一个或数个能跟踪所述翼片(4b)的通路的压电传感器所组成的。

2、根据权利要求1的电动机，其特征在于，所述检测器（D）是固定附装到所述定子（1）上的。

3、根据权利要求1的电动机，其特征在于，所述检测器（D）是并入所述定子（1）内的。

4、根据前述任一权利要求的电动机，其特征在于，所述定子（1）是由例如硅的弹性材料所组成的，且呈膜片状，构成所述压电激励装置（E）和所述检测器（D）的有源压电层从外部紧贴所述膜片（8）予以紧固。

5、根据权利要求4的电动机，其特征在于，所述压电装置（E）呈圆形，且配置在所述定子的中央，所述检测器（D）沿径向配置在所述激励装置（E）和所述定子（1）的径向边缘（5）之间。

6、根据权利要求4的电动机，其特征在于，所述检测器（D）和所述压电激励装置（E）一起构成一个圆环，该圆环位于所述转子（4）的所述翼片（4b）的所述移动路径（G）附近，且与所述移动路径（G）一致，所述圆环的一个或数个部分构成所述检测器（D），所述圆环的其余部分则构成所述激励装置（E）。

7、用于根据前述任一权利要求的压电电动机的定子的制造方法，有以下各步骤：

a）形成由例如硅的可切削加工材料所组成的盘，

b）利用数组适当的掩模（20、21）在这个盘上淀积若干层压电及导电层，以及

c）所述各层经过切削加工，以获得压电激励区（2、2A），

所述方法的特征在于，在步骤c）期间，至少一个压电检测区（3、3A）是与压电激励区（2、2A）同时形成的，从而构成所述转子的角位置检测器。

8、根据权利要求7的定子制造的方法，其特征在于，在步骤c）期间通过对所述各层表面的微切削加工而进行所述各层的切削加工。

9、供给根据权利要求5的电动机用的根据权利要求7或8的定子制造方法，其特征在于，

所述压电激励区（2）呈圆形地配置在所述盘的中央，以及

所述压电区检测区（3）沿径向配置在所述定子（1）的径向边缘（5）和所述激励区（2）之间。

10、供给根据权利要求6的电动机用的根据权利要求7或8的定子制造方法，其特征在于，配置所述压电激励区（2A）及所述压电检测区（3A），用以一起形成呈环形的有源压电层，所述压电检测区（3A）构成该环的一个或数个部分，而所述激励区（2A）构成所述环的剩余部分。

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