CN1898856B - 小型压电或电致伸缩线性电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了安装在蜂窝电话或PDA等等中以驱动其像机透镜的小型压电/电致伸缩超声线性电机。在本发明中，可移动轴(30)耦合到通过将压电或电致伸缩基板附着到弹性体(20)(金属)来制成的单压电晶片或双压电晶片，使得装配在可移动轴(30)上的可移动体(40)通过压电或电致伸缩基板的振动来沿着可移动轴(30)线性地移动，由此简化制造过程、根据基本原理易于实践而且具有优越特性。

Description

小型压电或电致伸缩线性电机

技术领域

本发明一般地涉及安装在蜂窝电话或PDA等等中以驱动其像机透镜的小型压电/电致伸缩超声线性电机，更具体地涉及这样的小型压电/电致伸缩超声线性电机，其中可移动轴30耦合到通过将压电或电致伸缩基板附着到弹性体20(金属)来制成的单压电晶片(unimorph)或双压电晶片(bimorph)，使得装配在可移动轴30上的可移动体40通过压电或电致伸缩基板的振动来沿着可移动轴30线性地移动，由此简化制造过程、而且根据基本原理易于实践以及具有优越特性。

背景技术

可以安装在蜂窝电话或PDA等等中以驱动其像机透镜的的小型步进电机必须提供有缩减齿轮和凸轮以将高速旋转转换成线性运动。另外，在常规的小型步进电机中，当旋转或反向旋转时发生后冲，由此造成错误。因此，已经有限地使用这样的小型步进电机。此外，小型步进电机的问题在于要求高电流和生成过多热。

通常，在使用压电或电致伸缩基板来驱动线性电机的方法中，有使用由弯曲波生成的行进波的驱动方法以及使用驻波的驱动方法，其中线性电机提供有纵向振动激励器和横向振动激励器二者，使得可移动单元由反复的垂直和水平振动来操作。驻波型线性电机提供有具有不同操作模式的振动器，而且使用由它们生成的多个振动。这样的驻波型线性电机包括垂直和水平振动的压电/电致伸缩激励器以及将机械位移传送到正在移动的可移动体的接触部分。压电振动器的纵向振动被传送到接触部分，可移动单元在该接触部分处耦合到压电振动器。可移动体由在它与可移动单元之间接合处的摩擦来操作。同时，已经提出若干其他振动传送方法，但是由于长时间反复移动所造成的磨损，故而难以保持恒定的振幅，所以很难付诸实用。

首先，在详细描述本发明的优选实施例之前，为了理解本发明，这里将在下面描述压电效应和振动理论，它们是应用于本发明的基本理论。

压电效应意味着当晶体接收压力时在该晶体中生成电荷，或者相反地，当电场施加到晶体时晶体被机械地移位。具有此类压电效应的压电基板10的特征在于，机械移位是根据极化方向和电场方向来引发的。

图1示出了根据极化方向和电场方向的压电基板10的机械移位。

图1(a)示出了当电场施加到以预定方向极化的压电基板10时压电基板10的移位。当压电基板10的极化方向与电场方向相同时，压电基板10在由参考字符z所指定的方向上扩展，而且在由参考字符x所指定的方向上以泊松比收缩。当压电基板10的极化方向与该电场方向相对时，压电基板10在方向z上收缩而且在方向x上扩展。

图1(b)示出了附着到弹性体20的压电基板10的移位。在此情况下，压电基板10以与对于图1(a)的情形所述相同的方式移位，而且附着到压电基板10的弹性体20的弯曲移位由压电基板10的扩展和收缩所引发。

图1(b)的点线指示了当压电基板10在方向z上扩展时弯曲的弹性体20的形状。弹性体20的此类弯曲移位是通过压电基板10的扩展而弹性体20的固定边保持于预定位置来实现。

图1(c)示出了由压电基板10在方向x上的扩展所造成的在方向z上弯曲的弹性体20。当电场方向瞬间改变时，处于图1(b)的状态中的压电基板10的移位状态快速地改变。结果，通过压电基板10在方向x上的瞬间加速和扩展，弹性体20在方向z上快速地弯曲。

尽管已经描述了在施加电场时压电基板的弯曲移位，但是即使取代压电基板而使用电致伸缩基板，仍然引发与压电基板的情形相同的弯曲移位。电致伸缩意味着当电场施加到电致伸缩体时该电致伸缩体被机械地移位。即使图1的压电基板为电致伸缩基板所取代，仍然引发相同的弯曲移位。

因此，在本发明中，将在这里描述一种线性电机，该线性电机使用压电或电致伸缩基板来引发弯曲移位，而且将该弯曲移位转换成线性移位。

发明内容

技术问题

本发明中使用的压电或电致伸缩基板10由单晶陶瓷、多晶陶瓷或聚合材料制成。在压电基板的情况下，该压电基板可以在基板的厚度方向上极化。弹性体20由具有预定厚度的弹性部件制成。在本发明中，磷青铜被用作构成弹性体20的材料。在可移动轴耦合到弹性体20的情况下，可移动轴插入其中的耦合孔可以形成在弹性体20的中心处。

如上面参考图1所述，当电场施加到相互附着的弹性体20和压电或电致伸缩基板10时，弹性体20和压电或电致伸缩基板10的弯曲振动被传送到可移动轴。结果，可移动体40线性地移动。这里，移动可移动体40的原理是基于惯性定律。

下文将参照附图来详细地描述可由本领域技术人员容易地实施的本发明优选实施例。

图2图示了装配在可移动轴30上的可移动体40的驱动机制。图3示出了施加到压电或电致伸缩基板10的输入脉冲。如图所示，在本发明中，反复锯齿脉冲被用作驱动脉冲。

尽管图2中未示出，但是假设了压电或电致伸缩基板10和弹性体20二者以与图1中所示相同的方式耦合到图2的可移动轴30的左端。这里将在下面解释当图3中所示锯齿脉冲波作为驱动脉冲波输入时与可移动轴30的移动相关的可移动体40的移动。

图2(a)和图3的点a：开始步长。可移动体40在可移动轴30上被放置于与可移动轴30的末端间隔开距离Sa的位置处。

图2(b)以及图3的点a与点b之间的区段：在图3的1步长中，可移动体40随着可移动轴30一起在x轴方向上线性地移动距离A(Sa＝Sb)，该步长是锯齿脉冲波中代表电压增加的倾斜部分，也就是输入从点a到点b的脉冲波时所在的区段。

图2(c)以及图3的点b与点c之间的区段：图3的锯齿脉冲波电压从点b变到点c化使得电压变成零。这意味着施加到压电或电致伸缩基板的电压变成零。此时，如图2(c)中所示，可移动轴30由于弹性体的恢复力而瞬间地左移距离2A。由于可移动轴30瞬间地左移，所以具有预定重量的可移动体40根据惯性定律留在距离Sc的位置。换句话说，只有可移动轴30左移(Sc>Sb)。

图2(d)以及图3的点c与点d之间的区段：可移动轴30随着可移动体40一起在x轴方向上移动距离2A(Sc＝Sd)。

图2(e)以及点d与点e之间的区段：可移动轴30和可移动体40以与对于点b与点c之间的区段所述相同的方式来移动。

图2(f)以及点e与点f之间的区段：可移动轴30和可移动体40以与对于点c与点d之间的区段所述相同的方式来移动。

这样，可移动体通过输入到压电或电致伸缩基板中的锯齿脉冲波的驱动和通过弹性体的弹性以及根据惯性定律来移动。这样的移位是通过反复如下过程来持续和反复地引发，在该过程中压电或电致伸缩基板10的反复弯曲运动被传送到可移动轴30，该基板形成单压电晶片或双压电晶片结构，也就是单基板或双基板结构。使用这一原理，可移动体40从可移动轴30的左端移到右端。

以相同的原理，当图3的锯齿脉冲波方向改变而且由改变的脉冲所引发的移位被传送到可移动轴30时，可移动体40的移动方向改变。因此，可移动体40能够从可移动轴30的右端移到左端。这样，本发明的电机是基于惯性定律。

技术方案

因此，鉴于现有技术中出现的上述问题而完成本发明，而且本发明的目的是提供小型压电/电致伸缩超声线性电机，该电机安装在蜂窝电话或PDA等等中以驱动其像机透镜，由施加于它的超声脉冲电压可逆和线性地移动，具有能通过改变施加电压的周期来精确地控制位置的结构，而且具有简单结构，由此简化其制造过程。

有利效果

在本发明中，具有上述构造的小型压电/电致伸缩超声线性电机使用了包括弹性体20和压电或电致伸缩基板10两者的单压电晶片或双压电晶片的弯曲移动作为其驱动源，使得可移动体40沿着可移动轴30移动。因此，本发明提供小型压电/电致伸缩超声线性电机，该电机能简化其制造过程，而且根据基本原理易于实践，并且具有优越特性。另外，该小型压电/电致伸缩超声线性电机的优势在于，其推力就其尺寸而言是优越的、操作是快速的而且驱动是稳定的。

附图说明

图1图示了在本发明中使用的压电或电致伸缩基板10和弹性体20二者的弯曲移动的原理；

图2图示了根据本发明的小型压电/电致伸缩超声线性电机的原理；

图3示出了用于驱动根据本发明的小型压电/电致伸缩超声线性电机的锯齿脉冲波；

图4示出了据本发明第一实施例的小型压电/电致伸缩超声线性电机；

图5示出了据本发明第二实施例的小型压电/电致伸缩超声线性电机；

图6是示出了据本发明第三实施例的小型压电/电致伸缩超声线性电机的前视图和侧视图；

图7示出了根据本发明的小型压电/电致伸缩超声线性电机的可移动体40；以及

图8图示了根据本发明的小型压电/电致伸缩超声线性电机的可移动体40和定子的移动原理。

具体实施方式

为了实现以上目的，本发明提供了包括压电或电致伸缩基板10、可移动体40、可移动轴30和弹性体20的基础构造。另外，在本发明中，基于上述基础构造，提出了各类小型压电/电致伸缩超声线性电机，它们包括具有将在优选实施例中解释的三种结构的线性电机。

图4、图5和图6示出了具有上述基础构造的三种小型压电/电致伸缩超声线性电机。

图4示出了包括压电或电致伸缩基板10、弹性体20和可移动体40的本发明第一实施例。压电或电致伸缩基板10和弹性体20的组件形成了具有盘形的单压电晶片。弹性体20不限于具体材料，只要该材料具有预定厚度而且能高效地传送从压电或电致伸缩基板10到它的振动即可。在本发明的实施例中，弹性体20由磷青铜制成。在可移动轴30直接附着到弹性体的情况下，突起30可以被提供用以支持可移动轴。在具有单个压电或电致伸缩基板10的单压电晶片情况下，如图4中所示，压电或电致伸缩基板和可移动轴可以提供在弹性体的相对侧上。替选地，压电或电致伸缩基板和可移动轴二者可以提供在弹性体的相同侧上。另外，当可移动轴安装到压电或电致伸缩基板和可移动轴的组件中心时，引发最大移位。因此，这一情形最为有效。

如图4中所示，可移动轴可以附着到与压电或电致伸缩基板所附着到的弹性体表面相对的另一表面。替选地，如图5中所示，可移动轴可以附着到压电或电致伸缩基板所附着到的相同弹性体表面。在此情形中，压电或电致伸缩基板附着到可移动轴所附着到的弹性体表面区域之外的弹性体表面区域。

压电或电致伸缩基板10在厚度方向上极化。另外，具有盘形的压电或电致伸缩基板10根据输入的锯齿脉冲波在从外径到内径的方向上或者在从内径到外径上振动，从而执行单压电晶片弯曲移动。

在图4的第一实施例中，压电或电致伸缩基板10附着到弹性体20的表面。耦合孔形成在弹性体20的相对表面上的中心处，使得可移动轴30装配到弹性体20的耦合孔中。弹性体具有比压电或电致伸缩基板10的外径更大的外径，使得弹性体由支持表面所支持。换句话说，固定边25绕着弹性体20的四周来提供以将线性电机紧固到支持表面。固定边用以防止线性电机由于压电或电致伸缩基板10的振动而不合需要地移动。

可移动轴30必须比双压电晶片轻若干倍，该双压电晶片是耦合到压电或电致伸缩基板10的弹性体20的双重结构。可移动轴30具有能高效地传送由压电或电致伸缩基板生成的振动的结构。另外，可移动轴制造成使得装配在可移动轴上的可移动体能够沿着可移动轴移动。在本发明中，中空轴被用作可移动轴。在压电或电致伸缩基板10的两个表面上提供的电极被连接到锯齿脉冲电压源(U)，使得驱动脉冲通过电极来输入。

图5示出了本发明的第二实施例，根据第二实施例的线性电机是具有两个压电或电致伸缩基板的双压电晶片。这样的结构能使用减小的电压来操作，从而延长线性电机寿命。压电或电致伸缩基板能够在厚度方向上极化。这里，压电或电致伸缩基板对的极化方向适当地调整为使得所生成的震动能达到最大值。另外，地端子连接到弹性体20，使得当锯齿脉冲施加到压电或电致伸缩基板10的上和下电极时激励线性电机。即使在第二实施例中，与可移动轴30放置在相同侧的压电或电致伸缩基板可以附着到可移动轴30所附着到的弹性体表面区域之外的弹性体表面区域。替选地，可移动轴30可以附着到压电或电致伸缩基板而不是弹性体的外表面。

图6示出了本发明的第三实施例。在根据第三实施例的线性电机中，弹性体和压电或电致伸缩基板的每一个具有矩形板形而不是盘形。这一线性电机可以用在其一侧长度受限之处。在这一实施例中，线性电机通过双压电晶片的弯曲移动来操作，该双压电晶片由弹性体20和压电或电致伸缩基板10构成而且具有矩形板形和具有尺寸a×b。第三实施例也可以制造为图5中所示双压电晶片型。在这一情形中，双压电晶片具有与对于图6所述相同的形状。

这样，压电或电致伸缩基板和弹性体二者的形状可以改变为使得压电/电致伸缩超声线性电机的形状适合于装置。另外，它们可以以各种形状以及圆形或矩形形状来改变。

图7示出了装配在可移动轴30上的可移动体40的实例。当输入脉冲施加到该压电或电致伸缩基板时，压电或电致伸缩基板随着弹性体一起振动。此振动被传送到可移动轴。然后，可移动体40沿着可移动轴移动。这样，压电或电致伸缩基板的振动被转换成可移动体40的线性运动。

图7的可移动体40的结构仅是本发明的可移动体的一个实例。因此，可移动体40不限于具体结构，只要保持可移动轴30与可移动体40之间的预定摩擦而且可移动体40根据惯性定律具有预定重量即可。

可移动体是具有预定重量的金属体或者物质。此外，可移动体与可移动轴紧密接触而且制造成使得在可移动轴与可移动体之间的接合处保持恒定摩擦。另外，可移动体是单体。

可移动体与可移动轴的外表面紧密接触以覆盖至少部分的可移动轴，从而保持恒定摩擦。优选地，可移动体具有能装配到可移动轴上的结构。另外，可移动体必须制造成使得它可应用于到使用摩擦力和预定重量的惯性定律。

为了达到上述意图，如图7中所示，本发明的可移动体40包括与可移动轴的外表面紧密接触的摩擦部件42，从而提供恒定摩擦。可移动体40还包括重量体44，该重量体围绕摩擦部件42的外表面来提供而且覆盖至少部分的摩擦部件42。重量体44由预定重量的金属制成。可移动体40还包括弹性壳46，该弹性壳装配在重量体44的外表面上以可靠地将重量体44耦合到摩擦部件42。

参见图7，可移动体可以包括两个近圆柱体，每个近圆柱体具有与可移动轴接触的摩擦部件以及金属体，该金属体具有预定重量而且围绕该摩擦部件的外表面来提供。近圆柱体通过弹性弹簧的弹性来保持在可移动轴周围。

当可移动体40通过最佳的力来保持在可移动轴30周围时，实现线性电机的优越性能。为此，具有预定弹性的弹性弹簧46装配在可移动体上，从而提供最佳的保持力，通过此力将可移动体40保持在可移动轴30周围。

在本发明中，具有制动功能的非金属部件被用作摩擦部件。该重量体是由重金属制成。

图8示出了装配在线性电机和单压电晶片或双压电晶片的可移动轴30上的可移动体40的移动。在此图中，图示了在单压电晶片或双压电晶片的弯曲移动下依赖于可移动轴30的可移动轴30和可移动体40二者移动。应当理解可移动体40是通过单压电晶片或双压电晶片的移位来移动。

Claims (12)

1.一种压电/电致伸缩超声线性电机，包括：

压电或电致伸缩基板，具有在该压电或电致伸缩基板的两个表面的每一个上提供的电极；

弹性体，该压电或电致伸缩基板附着到该弹性体的一个表面或两个表面的每一个；

可移动轴，在其一端耦合到该弹性体或者与该弹性体相附着的该压电或电致伸缩基板，该可移动轴与该压电或电致伸缩基板的移位相结合来操作；以及

沿着该可移动轴移动的可移动体；

其中该压电或电致伸缩基板根据极化方向和通过电极施加的电场方向在从外径到内径的方向上或者在从内径到外径的方向上振动，从而执行弯曲移动，并且该压电或电致伸缩基板随着弹性体一起振动，振动被传送到该可移动轴，以使得该移动体沿着可移动轴线性移动。

2.根据权利要求1的压电/电致伸缩超声线性电机，其中该压电基板被极化。

3.根据权利要求2的压电/电致伸缩超声线性电机，其中该可移动体与该可移动轴的外表面紧密接触，使得该可移动体覆盖至少部分的该可移动轴。

4.根据权利要求3的压电/电致伸缩超声线性电机，其中该可移动轴具有圆形或有角的细杆形状而且高效地传送该压电或电致伸缩基板的振动。

5.根据权利要求1至4任一项的压电/电致伸缩超声线性电机，其中当该可移动轴与该压电或电致伸缩基板的移位相结合来振动，而且该可移动体的惯性力大于该可移动轴与该可移动体之间的摩擦力时，该可移动体沿着该可移动轴移动。

6.根据权利要求1至4任一项的压电/电致伸缩超声线性电机，其中该可移动体包括：与该可移动轴的外表面紧密接触的摩擦部件；在该摩擦部件的外表面周围提供的重量体；以及弹性壳，装配在该重量体的外表面上以将该摩擦部件和该重量体二者保持在该可移动轴周围，其中该可移动体装配在该可移动轴上。

7.一种驱动压电/电致伸缩超声线性电机的方法，该电机具有：弹性体，至少一个压电或电致伸缩基板附着到该弹性体；可移动轴，耦合到该弹性体或者与该弹性体相附着的该压电或电致伸缩基板；以及将沿着该可移动轴移动的可移动体，该方法包括：

在第一时段期间将从第一电压变化到第二电压的电压施加到在该压电或电致伸缩基板的两个表面上提供的电极的步骤(a)；以及

在该步骤(a)之后的第二时段期间将从该第二电压变化到该第一电压的电压施加到在该压电或电致伸缩基板的两个表面上提供的电极的步骤(b)，其中

当在该步骤(a)或步骤(b)期间该可移动体的惯性力大于该可移动体与结合于该压电或电致伸缩基板的移位来振动的该可移动轴之间的摩擦力时，该可移动体沿着该可移动轴移动，

其中该压电或电致伸缩基板根据输入的锯齿脉冲波在从外径到内径的方向上或者在从内径到外径的方向上振动，从而执行弯曲移动，并且该压电或电致伸缩基板随着弹性体一起振动，振动被传送到该可移动轴，以使得该移动体沿着可移动轴线性移动。

8.根据权利要求7的驱动压电/电致伸缩超声线性电机的方法，其中反复该步骤(a)和步骤(b)。

9.根据权利要求7的驱动压电/电致伸缩超声线性电机的方法，其中该第一时段期间长于该第二时段期间。

10.根据权利要求7的驱动压电/电致伸缩超声线性电机的方法，其中该第一时段期间短于该第二时段期间。

11.根据权利要求7至9任一项的驱动压电/电致伸缩超声线性电机的方法，其中在该第二时段期间中，该可移动体的惯性力大于该可移动体与该可移动轴之间的摩擦力，使得该可移动体沿着该可移动轴移动。

12.根据权利要求7、8或10任一项的驱动压电/电致伸缩超声线性电机的方法，其中在该第一时段期间中，该可移动体的惯性力大于该可移动体与该可移动轴之间的摩擦力，使得该可移动体沿着该可移动轴移动。

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