CN1459141A

CN1459141A - 压电驱动装置

Info

Publication number: CN1459141A
Application number: CN02800762.XA
Authority: CN
Inventors: P·J·巴克斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-11-26
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: EP1374384B1; US20030177642A1; DE60218142T2; EP1374384A1; DE10113660A1; DE60218142D1; JP2004519984A; US6952071B2; ATE354203T1; WO2002075913A1; CN1327601C; IL157997A0

Abstract

本发明涉及一种由定子(2a)和转子(4)组成的压电驱动装置。其特征在于：定子(2a)具有圆柱形的压电元件(2)，所述压电元件具有至少两个电极、至少一个接触表面(2b)和第一谐振频率，转子具有位于压电元件(2)和转子(4)之间的机械传递元件(1)，所述传递元件(1)具有隆起(3)，其以一特定的角度指向压电元件(2)的接触表面(2b)的方向，并在预应力的作用下靠近接触表面(2b)，且具有第二谐振频率，通过在隆起(3)上周期性地施加压力，所述压电元件(2)被设置成在隆起(3)内激发所述第二谐振频率的振动，因此隆起(3)周期性地从接触表面(2b)离开，并且转子(4)进行旋转。

Description

压电驱动装置

本发明涉及一种包括定子和转子的压电驱动装置。

EP0557106披露了一种压电驱动装置，其具有包括压电元件的定子和环状转子，所述压电元件在其两侧具有多个控制用的电极，所述转子具有多个与定子接触的滑动元件。触发定子的压电元件中的电极所产生的行波使转子开始运动。

US4,959,580披露了另外一种压电驱动装置，其由包括环形转子的定子构成。在定子和转子的轴中安装有压电元件，该压电元件通过壳体与定子相连并且进行径向振动。安装在压电元件上的是被称为推进器的弹簧元件，其作用于转子上，并使转子旋转。

US4,453,103也披露了一种类似的压电驱动装置。该压电驱动装置也通过安装在压电元件侧面被称为推进器的弹簧元件来运行。

本发明的目的是提供一种结构尽可能简单的压电驱动装置，其允许压电元件的简单控制，同时具备高效率。

根据本发明，该目的是这样实现的：定子(2a)具有圆柱形的压电元件(2)，所述压电元件具有至少两个电极、至少一个接触表面(2b)和第一谐振频率，转子具有位于压电元件(2)和转子(4)之间的机械传递元件(1)，所述传递元件(1)具有隆起(3)，其以一特定的角度指向压电元件(2)的接触表面(2b)的方向，并在预应力的作用下靠近接触表面(2b)，而且具有第二谐振频率，通过在隆起(3)上周期性地施加压力，所述压电元件(2a)被设置成在隆起(3)内激发所述第二谐振频率的振动，因此隆起(3)周期性地从接触表面(2b)离开，并且转子(4)开始旋转。

为了使压电驱动装置中的转子旋转，两个谐振频率必须是在不同的振动平面。所述两个谐振频率能够被电激发，为此在压电元件上需要至少四个触发电极。同样，电极的电源必须有两个彼此精细匹配的交流电压。本发明中的装置呈现出的优势在于：仅有两个电极需要被供给交流电压，因此，相对简单的控制电路就足够了。在机械传递元件中，第二谐振频率以机械方式被激发。由于传递元件上的隆起，定子的电谐振频率叠加在机械谐振频率上，这样便使转子转动。由于机械传递元件必须将转动传输给转子，因此，它被连接到转子，由于上述压电驱动装置能被制成径向电机和轴向电机，因此它是通用的，径向电机也可以将转子用作内转子或外转子。在径向电机中，压电元件和隆起的接触表面位于压电元件的圆柱形外表上或内表面上，所述压电元件被隆起径向包围或径向包围隆起。如果该驱动装置被制成轴向电机，接触表面位于压电元件的侧壁，因此，压电元件被横向压靠着传递元件的隆起。原理上，本发明呈现的优点在于：由于隆起(3)周期性地从接触表面(2b)离开，大的振动幅度是可能的，并且压电元件和隆起之间的摩擦力低。

通过如权利要求2中所述的实施例，压电元件的效率达到最佳状态。为此，压电元件和机械传递元件的谐振频率尽可能近地对应或彼此为倍数关系。实践中，由于公差或磨损现象，上述理想状态不可能完全实现，但是依然被渴望实现。

如权利要求3中所述的实施例也用来实现最高的效率。所述隆起被压在压电元件的接触表面上，在该位置，它们承受一个垂直于接触表面被称为预应力的力。为了使隆起以最小的摩擦和损耗在接触表面上移动到更远，它们必须被均匀地加载。因此，相同的预应力必须作用在所有的隆起上。

在如权利要求4中所述的实施例中，在机械传递元件上布置尽可能少的隆起，能够实现连续的旋转。为了使转子精确地旋转，隆起必须以规则的间隔布置在机械传递元件上，这意味着对于三个隆起来说，彼此的间隔是传递元件圆周的三分之一。使用多于三个的隆起也是可能的。

如权利要求5中所述的实施例允许特别紧凑的转子，该转子保证传递元件的转动被无损耗的传输给转子。这样的转子特别稳定，并因此减少振动。

如权利要求6中所述的实施例所呈现的优点在于：由压电元件接触表面的摩擦造成的摩损被减少。上述优点是通过在接触表面上安装一耐久性的包覆层而实现的。接触表面的磨损越少，在压电驱动装置的使用寿命中的效率损失就越低，并且在整个使用寿命期间，压电驱动装置运行得更稳定。

如权利要求7所述的实施例中，径向电机中的传递元件通常具有相对于定子的预应力，并因此具有特别好的效率。不需要象在轴向电机中为了相对于定子预加应力给传递元件所必须的额外的弹簧。

在如权利要求8中所述的实施例中，作为径向电机的压电驱动装置被操作时不需要轴承。这样便保证了特别简单和经济的结构。由于转子不能沿径向背离压电元件而移动，转子仅需要轴向导向。这是通过使转子连接到驱动轴，或者使沿轴向以外的转子运动被禁止而简单地实现的。此处，重要的是：没有力沿径向施加在转子上，否则与振动相关的不合标准的运动不能被避免。

权利要求9描述了本发明中的压电驱动装置如果被设计成径向电机时的一种简单的组装方式。由于带有传递元件的转子形成紧凑构型，并且必须被相对于定子预加应力，它具有比定子的外径更小的内径。因此，为了将转子安装在定子上，转子的内径必须被扩张。由于转子的内径取决于传递元件的隆起，当带有传递元件的转子弹性变形时，压力被施加在转子的几点上，隆起偏离向侧面，由此，传递元件的有效内径变大，并且转子能被推压到定子上。压力随后又被撤掉，隆起重新恢复到其原始位置，由此，带有传递元件的转子相对于定子被预加应力。转子、传递元件和隆起的变形必然不能超过可逆的范围。

如权利要求10中所述的实施例涉及一种非环形的转子和传递元件，并且，此处的驱动装置也被设计成径向电机。为了增加转子和传递元件的弹性可变形性，转子由等边的三角形组成，在转子每一边的中心位置具有指向内部的隆起，其作为传递元件。这样，该等边的三角形能够象环形转子一样在定子上旋转。N边的多角形也可能具有6、9、12个边。三角形的优点在于：当在隆起间保持与环形转子相同的内径时，等边的三角形周边充分地增加。因此，转子施加在定子上的压力更小，并且三角形转子更容易被例如组装时的变形所扩张。

在如权利要求11和12所述的设计中，本发明所述的压电驱动装置被用作电机，由于它特别轻、紧凑、并允许高速旋转，因此它理想地适合于作为小型电机中的齿轮电机。

如权利要求13所述的实施例允许电动剃刀安装有具有本发明中压电驱动装置的优点的旋转刀具。因此，在目前的设计中通常具有三个旋转刀具，所有的刀具能被设计成转子，每个转子绕着作为定子的压电元件旋转。上述的布置由于不需要齿轮而使维修保养费低并且结构紧凑。再者，它需要小的电流，这样又允许小型化且节约电池的重量。

如权利要求14所述的实施例呈现的优点是：由于转子和刀具为一个部件，转子能够容易地和刀具一起被更换。另外，这样的剃刀没有进一步的磨损部分。由于转子能被轻易地移动，特别容易的清洁也是可能的。

如权利要求15所述的实施例构成一个低维护费用的且制造简单的风扇，使螺旋桨直接由压电驱动装置驱动，并且因此结构上特别紧凑。另外，该驱动装置工作时特别安静，它命中注定被用作计算机或放映机中的风扇。

通过参照下文中所描述的实施例的说明，本发明的这些或其他方面将变得明显。

其中：

图1示出根据本发明作为径向电机的压电驱动装置的侧视图；

图2示出通过剃刀中的压电驱动装置的横截面；

图3示出具有压电驱动装置的剃刀的顶视图；

图4示出用于径向结构中的压电驱动装置的三角形电机；

图5示出在组装过程中，带有扩张的环型转子的径向结构中的压电驱动装置；

图6示出在齿轮装置中用于具有三个旋转刀头的剃刀的压电驱动装置；

图7表示具有径向压电驱动装置的泵；

图8表示具有两部分压电元件的的泵；

图9表示径向压电驱动装置的分解图；

图10表示轴向压电驱动装置的分解图；

图11表示在剃刀中，压电驱动装置代替传统的电机；和

图12表示压电轮毂电机。

在如图1所示的径向电机中，新型压电驱动装置包括带有圆筒形压电元件2的定子2a和转子4，其中压电元件2在面对转子4的侧面具有接触表面2b，其覆盖了一层防磨损材料以抵抗磨损。压电元件2具有两个电极，当电压被加载在该电极上时，允许压电元件2沿轴向收缩并因此沿径向扩张。环形或圆柱状的转子4在其内部具有机械传递元件1，其通过三个隆起3接触压电元件2，并且相对于压电元件2被预加应力，在径向电机的结构中，上述预应力是通过简单地使压电元件2的直径略大于隆起3处的圆周的有效直径实现的。为了使驱动装置运动，交流电被提供给定子2a的压电元件2，因此，压电元件2周期性地沿轴向收缩。考虑到压电元件2的泊松比，压电元件2以其电谐振频率周期性地沿径向扩张，并且在隆起3上施加力。这样凸起周期性振动，开始在压电元件2的接触表面2b上移动，并因此产生所需的以机械方式的第二振动频率，由此，转子4开始转动。要触发压电元件2，只需一个电子驱动级。

通过将传递元件1的三个隆起的机械谐振频率和压电元件2的电谐振频率叠加，转子4和传递元件1开始转动。隆起3因此在压电元件2的表面进行小的跳动，转子4和传递元件1牢固地连接在一起，或组成一个元件。由于转子4被定子2a径向地导向，因此，不需要额外的径向轴承。转子4能被直接连接到被转动物体上，例如轴。因此，新型的压电驱动装置需要极低的维修保养费并且极为经济。

因而，用在具有旋转刀头19的电动剃刀中是理想。图2表示具有直接驱动装置的这样的一个刀头19。定子2被保护在壳体5中，也可以是剃刀的壳体中，或者，壳体5可以被安装在托架盘6上。具有传递元件1的转子4旋转对称地位于壳体5的周围，压电元件2的振动通过壳体5传输给传递元件1，因此，具有传递元件1的转子4绕着壳体5旋转。转子4在其外表面上同时形成为刀头19，并因此除掉使用者的面部毛发。因此，通过简单地将一新转子4按压到壳体5上，就能简单地更换磨损的刀头19。这在表示三刀头剃刀的图3中被示出。由于转子4的传递元件1直接在壳体上运动，因此，壳体5必然由抗磨损材料制成。壳体5被适宜地包覆以抵抗磨损。

用如图4所示的三角形转子4代替环形转子4是可能的。此处，转子4、传递元件1和隆起3被制成一个元件。通过等边三角形内隆起3的中心定位，隆起3和压电元件2的接触点都位于一个旁切圆上。因此，这样的转子4能够进行均匀的旋转运动。与图1所示的环形转子4相比，三角形转子4呈现的优点在于其本质上更具弹性。因此，它能更多地被扩张。当将转子4安装在压电元件2上时，由于转子4的内径d必须在隆起3之间扩张，因此，这一点尤其有利。另外，当驱动装置变得更高效率的且更有效时，操作预应力变得更小。用具有多角的转子(多角形)代替三角形转子4也是可能的。转子4也可以具有用来代替在隆起3之间的平滑连接部分4a的波状连接部分，尤其是折叠式的连接部分。因此，转子4变得更具弹性，以一种能说明问题的方式，弹簧元件与转子4可形成一个整体。

图5所示的是将环形的转子4安装到压电元件2上。通过将压力施加在转子4上的几个点上，传递元件1的隆起3略微移向旁边，并因此呈现一个较大的内径d。在该状态下，压电元件2被推入到转子4内部。压力随后又被撤掉，转子4相对于压电元件2被预加应力。

如果在电动剃刀中，多个旋转刀头由一个压电电机来驱动，推荐图6所示的装置。此处，压电元件2通过定子2a与安装板8相连，该安装板8同时用于安装旋转刀头的轴9。转子4在其外表面成形为齿轮，并因此通过另外的齿轮7驱动上述轴。由于压电元件2被牢固地连接到安装板8，并且轴9也被安装在安装板8中，可以获得一个非常稳定和紧凑的装置，该装置可以被制成非常扁平。

本发明中的压电驱动装置理想地适用在作为泵用的驱动装置的径向结构中。图7和图8中的这样的泵基本上包括管10，其用于传输需要被运输的物体，在管10中，轴承11用以保持转子4。转子直接驱动涡轮12，该涡轮12通过管10抽吸物体。为了使转子运动，在转子4的层面上，在管10外面的是轮状或环形的压电元件2。该压电元件2通过管10的壁使转子4运动。由于隆起3连续地在管10的内壁上运动，由于管10的内壁此处同时用作接触表面2b，管10必须由抗磨损材料制成，或者至少在与转子4的隆起3形成接触的地方配有抗磨包覆层。为了更容易组装，压电元件2也可以由两个部件组成，它们通过外环13被保持在一起。

图9表示作为径向电机的压电驱动装置，该径向电机能被用在不同应用中。所述应用由齿轮7驱动。整个电机被安装在两部分壳体14a、14b内，只有齿轮7从中伸出并电连接。压电元件2通过两个安装元件16a、16b被连接在两个托架元件15a、15b和壳体部分14a、14b之间。转子4绕着压电元件2旋转，并通过环17a和弹簧元件17b将力传输到驱动轴18。该驱动轴通过孔从电机的上部14伸出，并因此在那里与齿轮7相连。上述整个电极能够被构造得非常扁平，并且不需要轴承，因为转子4由压电元件2定中心。转子轴向的偏移被构成轴向轴承的半壳体14a、14b防止。在图11中，这样的压电驱动装置代替电动剃刀中传统的电机18。此处，电机通过齿轮7驱动，齿轮轴20然后使刀头19旋转。电机被安置在同时用作手柄的壳体21中。径向电机理想地适于用作风扇的驱动装置，尤其是计算机中的风扇的驱动装置。此处，螺旋桨由齿轮7简单地驱动。齿轮7也可以直接由螺旋桨代替，并因此产生一种直接驱动的风扇。

用一种轴向的结构代替上述实施例中所描述的径向电机是可能的。图10示出这样一种轴向电机。此处，压电元件2连在环状的定子2a上，并驱动两个转子4，每个所述转子都接触压电元件2的一个侧面。定子2a被夹在两个壳体半块14a、14b之间。转子4在其背离压电元件2的侧面上具有弹簧元件15b，该弹簧元件15b在转子4上施加必要的预应力。通过管16a，两个转子4和弹簧元件15b被连接到公共轴9上，并通过锁定元件16b、16c和16d固定在轴9上。象在径向电机中一样，上部壳体部分14a具有孔，轴9通过该孔向外伸出。轴9的外侧也安装了齿轮7，该齿轮7将电机的力传输到外部将被驱动的部件上。上述电机比类似的径向电机长，但具有更小的直径。这样的电机也可以用在图11中以代替传统的电机18。

径向压电驱动装置也能被用作车辆轮子的直接驱动装置。图12所示的这样的驱动原理是基于一种轮毂电机。轮的轴承构成径向的压电元件2，并且轮的边缘形成转子4。通过车辆的重量，使预应力施加在转子4上。这样的车辆能够容易地实现全轮驱动，并且不需要驱动轴。压电元件2仅需要具有相应的电源。

Claims

1.一种压电驱动装置，包括：定子(2a)和转子(4)，其中所述定子(2a)具有圆柱形的压电元件(2)，所述压电元件具有至少两个电极、至少一个接触表面(2b)和第一谐振频率，转子具有位于压电元件(2)和转子(4)之间的机械传递元件(1)，所述传递元件(1)具有隆起(3)，其以一特定的角度指向压电元件(2)的接触表面(2b)的方向，并在预应力的作用下靠近接触表面(2b)，而且具有第二谐振频率，所述压电元件(2)被设置成通过在隆起(3)上周期性地施加压力，在隆起(3)内激发所述第二谐振频率的振动，因此隆起(3)周期性地从接触表面(2b)离开，并且转子(4)进行旋转。

2.如权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，所述两个谐振频率彼此相匹配，从而所述隆起(3)同时并以相同的方向振动，所述方向为转子(4)的旋转方向，并且所述两个谐振频率近似地匹配，或所述两个谐振频率彼此近似地呈倍数关系。

3.如权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，所述隆起(3)经受几乎相等的垂直作用在接触表面(2b)上的所述预应力。

4.如权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，机械传递元件(1)具有三个或更多个隆起(3)，它们以规则的间隔布置。

5.如权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，转子(4)和机械传递元件(1)是整体的，或被牢固地连接在一起。

6.如权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，压电元件(2)至少在其接触表面(2b)上被包覆。

7.如权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，机械传递元件(1)具有弹性特性，而且在其隆起(3)间具有小于压电元件(2)的直径，因此相对于压电元件(2)被预加有应力。

8.如权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，所述压电驱动装置不需要额外的轴承就能被沿预应力方向操作。

9.如权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，为了将带有机械传递元件(1)的转子(4)安装在压电元件(2)上，通过在转子(4)上的某些点施加力，转子(4)和机械传递元件(1)产生弹性变形，因此隆起(3)间的直径大于压电元件(2)的直径。

10.如权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，传递元件(1)和转子(4)具有等边三角形的形状，所述三角形的每个侧边的中心有一个指向内部的隆起(3)。

11.一种用于驱动可旋转或可移动部分(7)的电机，其具有如权利要求1到10中任一项所述的压电驱动装置。

12.如权利要求11所述的电机，其特征在于，所述电机被容纳在一机构中，并用来驱动齿轮(7)。

13.一种具有旋转刀具(19)的电动剃刀，其特征在于，提供如权利要求1所述的压电驱动装置，用于驱动所述旋转刀具(19)。

14.一种具有旋转刀具(19)的电动剃刀，其特征在于，旋转刀具(19)为如权利要求1所述的压电驱动装置的转子(4)。

15.一种电动风扇，其特征在于，所述风扇具有螺旋桨，所述螺旋桨被设置成由如权利要求1所述的压电驱动装置来驱动。

16.一种电气装置，其具有如权利要求1所述的压电驱动装置。