专利名称：平板型压电超声电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过超声振动对转子产生转动力的平板型压电超声电机，更具体地讲，涉及一种配备了转子、振子和压电片的平板型压电超声电机，压电片分别布置在该振子的四分表面区上，并且该电机的驱动方式是，通过将不同相位的交流电施加到四分表面区使振子振动，转子由振动的振子转动，由此能够简化压电片的形状、使其尺寸最小化并提高其驱动效率。
背景技术：
通常，传统的压电超声电机也被称作行波型电机、表面波型电机或冲浪型(surfing type)电机，通过将两种不同相位的驻波迭加进行驱动。
图1示出这种传统的压电超声电机的结构。
参照图1，压电超声电机200的构建方式是，即多个压电片220以环型被布置在环型转子210的下表面上，如图1a所示，或多个压电片240以环型被布置在环型转子230的内表面上，如图1b所示。
如图1c所示，压电超声电机200的运行方式是，在环型压电片220的多个电极中交替地产生极化，然后将不同相位的共振频率电压施加到该电极上，由此在环型压电片220的表面上产生椭圆轨迹的行波。
然而，难于加工环型压电片220并且难以在环型压电片220中引起多处极化。
另外，在电机200的工作期间，应力被集中在环型压电片220的电极之间的边界表面上，由此这种应力集中在压电片220中导致裂缝和断裂。
而且，因为压电片220具有多个电极和多处极化，所以难于将电机200小型化。
同时，通过超声振动产生线性运动的传统的超声电机装置被公开在公开号为JP2004-088815的日本专利中。
图2示出这种传统超声电机装置的结构，其工作方式是驱动速度的控制范围被扩展为低速范围。
参照图2，超声电机装置300被构建包括具有振子311和运动单元312的电机310A、电源316a和316b、用于转变从电源316a和316b输出的驱动电压的相位的相位控制器317、和用于支撑振子311并以给定力按压运动单元312的预加载器318。
在超声电机装置300中，上压电元件314a和314b纵向轴对齐地被附在振子311的上表面上，下压电元件314c和314d纵向轴平行于上压电元件314a和314b的纵向轴对齐地被附在振子311的下表面上。来自电源316a的驱动电压被施加到对角相对的元件314b和314c上，来自电源316b的另一驱动电压被施加到对角相对的元件314a和314d上，由此振子311被振动并且因此驱动地连接到振子311的运动单元312被线性地移动。
此外，运动单元312的运动速度可以通过驱动电压的相位变化，或通过预加载器318的负载变化被改变。
然而，运动部分312只可以线性地被移动，而不是转动地。
发明内容
相应地，设计出了本发明来解决上述问题。
本发明的一目的在于提供一种平板型压电超声电机，其可转动其转子并且还便于其尺寸的小型化和提高其驱动效率。
本发明的另一目的在于提供一种平板型压电超声电机，其能够便于制造和组装并且平稳地驱动其转子。
本发明的其它优点、目的和特点一部分由下面的描述提出，一部分对本领域的技术人员来说通过对下面研究会变得清楚，或者可通过本发明的实施而得知。本发明的目的和其它优点可通过说明书及其权利要求和附图中详细地指出的结构被实现和获得。
为了实现这些目的和其它优点，并根据本发明的意图，如这里具体和一般描述的那样，一种通过超声振动对转子产生转动力的平板型压电超声电机包括振子，由弹性材料形成；多个压电片，附在振子上；转子，驱动地连接到振子可被振子转动；和电源单元，用于对压电片施加驱动电压。该压电片被布置在振子的四分表面区上，其方式是，相邻压电片的纵向轴之间形成给定角度，相对的压电片具有相反的极性；电源单元对压电片施加交流驱动电压由此使得转子转动。
在本发明的另一方面中，一种通过超声振动对转子产生转动力的平板型压电超声电机包括振子，由弹性材料形成；多个压电片，附在振子上；转子，驱动地连接到振子可被振子转动；预加载器，用于使转子与振子接触；和电源单元，用于对压电片施加驱动电压。该压电片被布置在振子的四分表面区上，其方式是，相邻压电片的纵向轴之间形成给定角度，相对的压电片具有相反的极性；电源单元对压电片施加交流驱动电压由此使得转子转动。
优选地，交流驱动电压彼此在相位上相差90°。
优选地，给定角度是75°至105°。
更优选地，给定角度是90°。
可以理解本发明的前面概括的描述和后面详细的描述是示例的和说明的，旨意在对要求保护发明作出进一步的解释。
所包含的附图用于对本发明作进一步的理解，其包含在本申请并构成本申请的一部分。这些附图描述了本发明的实施方式，并与描述部分一起用来解释本发明的原理。在附图中图1是示出传统超声电机结构的示图，其中图1a是示出转子在环型压电片上转动的结构的示图，图1b是示出转子在环型压电片的外部转动的结构的示图，和图1c是示出形成在环型压电片上的极性状态的示图；图2是示出传统的直线型超声电机的结构的示图；图3是示出根据本发明的平板型压电超声电机的结构的示图，其中图3a是示出根据本发明一个实施例的平板型压电超声电机的结构的示图，和图3b是示出根据本发明第二实施例的具有预加载器的平板型压电超声电机的结构的示图；图4是示出在根据本发明的平板型压电超声电机中压电片布置结构的示图，其中图4a是示出压电片被布置在振子上的状态的示图，和图4b是示出振子上压电片的布置结构的侧面剖视图；图5是示出根据本发明的平板型压电超声电机的操作的示图，其中图5a是示出振子被压电片变形的状态的示图，和图5b是示出施加到压电片的极化方向和相位变化为90°的示图；图6是示出根据本发明的平板型压电超声电机的操作原理的示意图；图7是示出根据有限元分析本发明的平板型压电超声电机的各种操作模态的示图，其中图7a是示出由于对振子施加两个正交振动而具有λ＝2c关系的振子被转变的状态的示图，图7b是示出由于对振子施加两个正交振动而具有λ＝c关系的振子被转变的状态的示图，图7c是示出由于对振子施加两个正交振动而具有λ＝2c/3关系的振子被转变的状态的示图，和图7d是示出由于对振子施加两个正交振动而具有λ＝2c/5关系的振子被转变的状态的示图；图8是根据本发明第二实施例的平板型压电超声电机的分解透视图；图9是示出根据本发明第二实施例的平板型压电超声电机的组装状态的透视图；图10的几个示图示出了测试根据本发明的平板型压电超声电机的性能的例子，其中图10a是示出一个测试例子的示图，其中，振子的上表面和下表面每个都具有两个压电片附在其上并且相邻压电片的纵向轴之间的角度是90°，图10b是示出一个测试例子的示图，其中，振子的上表面和下表面每个都具有2个压电片附在其上并且相邻压电片的纵向轴之间的角度是75°，图10c是示出一个测试例子的示图，其中，振子的上表面具有4个压电片附在其上并且相邻压电片的纵向轴之间的角度是90°，图10d是示出一个测试例子的示图，其中，振子的上表面具有4个压电片附在其上并且相邻压电片的纵向轴之间的角度是75°或105°；和图11是示出根据本发明的平板型压电超声电机的可能结构的示意图，其中图11a是示出4个压电片被分别布置在振子的4个对角四分表面区上的示图，和图11b是示出4个压电片被分别布置在振子的4个水平/垂直四分的水平区上的示图。
具体实施例方式
现在将详细地描述本发明的优选实施例，其例子显示在附图中。
图3示出根据本发明的平板型压电超声电机的结构。具体地讲，图3a示出根据本发明实施例的平板型压电超声电机的结构，图3b示出根据本发明第二实施例的具有预加载器的平板型压电超声电机的结构。
参照图3a，平板型压电超声电机1通过使用超声振动对转子5产生转动力。
在平板型压电超声电机1中，振子10由弹性材料以给定尺寸形成。
这里，振子10可由金属或陶瓷形成以保持弹力。
多个压电片15通过使用合成树脂胶(未显示)被附在振子10的表面上。这里，压电片15被布置在振子10的四分表面区上，其方式是相邻压电片的纵向轴P之间形成给定角度θ，如图4a所示。
电极17a形成在压电片15的上/下表面上，并且电源单元20(将在后面描述)对电极17a分别供应不同极性的交流电压。
这里，如果振子10由导电金属片形成，则电压可通过振子10被提供到形成在压电片15上并且与振子10接触的电极17a。另外，如果振子10由陶瓷系列形成，则在与振子10接触的表面上形成由单独的导电金属膜形成的单独的电极17a。
这里，压电片可由具有高机械品质因数的Pb(ZrTi)O3系的压电陶瓷制成。
如图4a和4b所示，两个上压电片15被平行地布置在振子10的上表面上，并且与这两个上压电片15交叉的另外两个下压电片15被平行地布置在振子10的下表面，其方式是相对的压电片具有相反的极化。即，两个上压电片15的一个被向上极化，两个上压电片15的另一个被向下极化。同样地，两个下压电片15的一个被向上极化，两个下压电片15的另一个被向下极化。
转子5被驱动地连接到振子10可被振子转动。如图3a所示，转子5被连接到从振子10延伸的多个腿25上。当振子10通过压电片15被振动由此产生行波时，腿25将行波传递到转子5，行波的振幅由延长长度放大。
压电片15的电极17a通过导线27被电连到电源单元20。该电源单元20将彼此在相位上相差90°的交流驱动电压分别施加到相邻压电片15上。
尽管图3a所示的电源单元20包括供应多个驱动电压的多个电源，但是其并不限于这种结构。例如，电源单元20可被构建成包括用于改变驱动电压相位的单独的相控制器(未显示)。
当如上所述地施加驱动电压时，该压电片15振动而产生正弦波和余弦波，由此在振子10中产生行波，如图5a所示。产生的行波通过腿25被传递到转子5，由此使得转子5转动。
此时，在振子10上表面上的两个压电片15具有不同的极化方向，如图5b所示。即，在上表面上的左压电片15的极化向上，而在上表面的右压电片15的极化向下。在振子10的下表面上的两个压电片15也具有不同的极化方向。即，在下表面上的前压电片15的极化向上，而在下表面上的后压电片15的极化向下。两个上压电片15振动而产生正弦波，两个下压电片15振动而产生余弦波，由此在振子10中产生行波。
同时，当驱动电压以变化的顺序被施加到上压电片和下压电片15时，在振子10中产生的行波的方向被改变，由此转子5沿相反的方向转动。
现在将参照图6来详细描述平板型压电超声电机1的各种操作模态。
在图6中，当只考虑在矩形弹性振子10上的压电片15时，由于这些压电片15具有相反的极化方向，所以当这些压电片15通过与振子10机械共振全部受到谐波信号激励时可以产生行波。在所有情况下，振子10和这些压电片15由于振动特性具有共振模态，并且该共振模态的频率根据其厚度、长度、宽度和弹性模数等确定。
为了有效地产生具有期望波长的有用行波，应该正确设定压电片15之间的间隔。另外，由于振子10的下压电片15以与振子10的上压电片15相同的结构进行布置，所以可以以相同的频率产生相同的机械共振。
如果下压电片15没被激励，则由上压电片15的激励导致的振子10的位移Ua可由下面的方程式1表示Ua＝Acos(ωt+θ)...方程式1其中“A”是常数，“ω”是频率，“t”是时间，和“θ”是初始相位角。
如果上压电片15没被激励而下压电片15通过与施加到上压电片15的驱动电压相差90°的驱动电压以相同的谐波信号被激励，则由下压电片15的激励引起的振子10的位移Ub可由下面的方程式2表示Ub＝Asin(ωt+θ)...方程式2因此，如果上和下压电片都被激励，则振子10的总振动是Ua和Ub的合成。在通过有限元分析(FEA)可区分的振子10的某些部分中，振子10产生了椭圆运动，如图7a至7b所示。这种椭圆运动是被孤立的并且通过腿25被放大，随后被传递到转子5，由此转子5被转动。
图7示出本发明的平板型压电超声电机的不同操作模态的图。
在图7中，图7a示出由于在其上施加两个正交振动而具有λ＝2c关系的振子10被转变的状态。
图7b示出由于在其上施加两个正交振动而具有λ＝c关系的振子10被转变的状态。
图7c示出由于在其上施加两个正交振动而具有λ＝2c/3关系的振子10被转变的状态。
图7d示出由于在其上施加两个正交振动而具有λ＝2c/5关系的振子10被转变的状态。
这里，“λ”是由振子10产生的行波的波长，“c”是振子10的侧面长度(见图6)。
如先前描述，本发明将压电片15附在振子10的四分表面上，并且可以通过仅将驱动电压施加到被附着的压电片15来转动转子5。因此，本发明可以将电机的尺寸最小化并且提高电机的驱动效率。
此外，本发明提供下面的第二实施例以提高转子的推动力和驱动速度。
根据第二实施例的平板型压电超声电机1’还包括用于增加在转子5和振子10之间的接触力的预加载器40，如图3b所示。
在第一和第二实施例中，相同的标号被用于表示相同的部分。
图8是根据本发明第二实施例的平板型压电超声电机1’的分解透视图，图9是根据本发明第二实施例的平板型压电超声电机的组装状态的透视图。
参照图8和图9，在平板型压电超声电机1’中，上面附有多个压电片15的振子10被布置在给定尺寸的基座50上，转动轴52被插入到振子10的中心孔中。
具体地讲，转动轴52的底端被固定到基座50上，并且转动轴52的中心部分被插入到振子10的中心孔中。压电片15被布置在振子10的四分表面区上，其方式是，相邻压电片的纵向轴P之间形成给定角度θ，相对的压电片具有相反的极化，如图4a所示。
转子5被布置在振子10上，并且通过从振子10延伸的腿25驱动地连接到振子10上。另外，转子5的下中心表面由转动轴52的顶端可转动地支撑。
此外，转子5的下表面与腿25的顶端接触。在这种结构中，预加载器40被布置在转子5的上表面上，使转子5与振子10接触。这里，预加载器40可是板簧。
这里，板簧的一端被用螺钉固定到基座50的上阶50a上。此外，板簧的另一端向下地和弹性地支撑转子5的上中心表面，使得转子5的下中心表面被转动轴52的顶端可转动地支撑并且使转子5的下表面与腿25的顶端紧密接触。
另外，预加载器40可是具有与板簧相同功能的盘簧。
另外，电源单元20将彼此在相位上相差90°的交流驱动电压分别施加到压电片15上。
在这种方式中，本发明的第二实施例将压电片15附在振子10的四分表面上，其方式是，压电片15形成矩形形状，并且可以仅通过将驱动电压施加到附着的压电片15上来转动转子5。因此，第二实施例可以使电机的尺寸最小化和提高电机的效率。此外，第二实施例还能够改善转子5和腿25之间的接触状态和提高转子5和腿25之间的接触力，并由此能有效地将振子10的行波传递到转子5。
同时，根据第一和第二实施例，在本发明提供的压电超声电机1和1’中，相邻压电片15之间的角度θ是75°至105°。
进行了一些试验来测试平板型压电超声电机根据角度θ的变化的性能，测试结果被示出在图10a和10b中。
在这些试验中，振子10的上表面和下表面每个都具有两个附在其上的压电片15，各自的两个压电片15的布置方式是它们具有相反的极化方向并且角度θ是75°至105°。其后，彼此在相位上相差90°的交流驱动电压通过电源单元20被分别施加到相邻压电片15上。
图10a示出该角度θ是90°的情况，和图10b示出该角度θ是75°或105°的情况。
这里，本领域的技术人员可以容易地理解因为θ＝75°的情况和θ＝105°的情况具有基本上相同的布置结构，所以这两种情况具有相同的测试结果。
用于上述试验的测试软件“ATILA”由美国Magsoft公司制作，该软件是仅用于压电装置的FEA程序。
从图10a和10b中示出的测试结果可知，四种共振模态被确定。对于各个共振模态，在由振子10产生的用以转动转子5的行波的椭圆运动中，检测有用的共振频率和反共振频率。另外，还检测从施加到压电片15的电能到由振子10转换的机械能的能量转换率(％)。这里，能量转换率高意味着转子5的转动效率高。
在图10a所示的θ＝90°的情况下，检测的能量转换率高且均匀地保持在9.43％～15.39％的范围内，这是很可以接受的。
检测结果如以下表1所示。
表1
在图10b所示的θ＝75°的情况下，检测的能量转化率相当低地保持在6.64％～16.26％的范围内，其是一般可接受的。
检测结果如以下表2所示。
表2
然而，要求对压电片15进行额外处理以保持θ为75°，并且花费相当多的时间和努力才能将额外处理的压电片15准确地附在振子10上。
因此，从平板型压电超声电机的能量转换率、小型化、简单的结构和制造的观点来看，保持θ低于75°是不满足要求也是不期望的。
同时，尽管已经描述了压电片15中两个或其它两个被分别布置在振子10的上表面和下表面上，但是压电片15可以进行不同布置。
即，所有压电片15可被布置在振子10的上表面和下表面的一个上，这种布置能够减小平板型压电超声电机的厚度，由此减小该电机的尺寸。
对振子10的上表面和下表面中的一个上附有压电片15的平板型压电超声电机的性能进行了试验测试，测试结果表示在图10c和10d中。
在这个试验中，所有压电片15被布置在振子10的上或下四分表面上，其布置方式是，相邻压电片15的纵向轴P之间形成给定角度θ，相对的压电片15具有相反的极化方向。其后，彼此在相位上相差90°的交流驱动电压通过电源单元20被分别施加到相邻压电片15。
从在图10c和10d中示出的测试结构可知，十种共振模态被确定。
图10c示出振子的上表面附有4个压电片15并且角度θ是90°的情况，图10d示出振子的上表面附有4个压电片15并且角度θ是75°的情况。
在图10c示出的θ＝90°的情况下，检测的能量转换率被较高地和均一地保持在9.70％～21.12％的范围内，其是很可以接受的。
检测结果如下表3所示。
在图10d示出的θ＝75°的情况下，检测的能量转换率被较低地保持在5.61％～19.43％的范围内，其是一般可接受的。
检测结果如以下表4所示。
然而，要求对压电片15进行额外处理以保持θ为75°或105°，并且花费相当多时间和努力才能将附加处理的片15准确地附在振子10上。因此，从平板型压电超声电机的能量转换率、小型化、简单的结构和制造的观点来看，保持θ低于为75°是不满足要求也是不期望的。
因此，优选地在压电超声电机1和1’中角度θ为75°至105°。
另外，从电机的能量转换率和压电片15的制造和组装的观点来看，更优选地在压电超声电机1和1’中角度θ为90°。
同时，尽管已经描述的压电片15按方形布置，但是压电片15可以以如图11a和11b所示的其它形状被布置。
图11是示出根据本发明的平板型压电超声电机的可能结构的示例性示图。
图11a示出4个压电片被分别布置在振子10的4个对角的四分表面区的结构，图11b示出4个压电片被分别布置在振子10的4个水平/垂直的四分表面区的结构。
另外在这种结构中，两两压电片15可分别布置在振子10的上表面和下表面上，或所有的压电片15可布置在振子10的上表面和下表面之一。在所有情况中，相对的压电片15具有相反的极化方向(见图11a和11b中的“+”和“-”符号)，并且彼此在相位上相差90°的交流驱动电压通过电源单元20被分别施加到相邻的压电片15上。
如前所述，根据本发明的平板型压电超声电机配备了转子、振子和分别布置在振子四分表面区上的压电片，其驱动方式是通过将不同相位的交流电压施加到压电片使振子振动，而使转子转动，由此能够有效地驱动转子、使尺寸最小化并提高其驱动效率。
另外，本发明的平板型压电超声电机能够便于其制造和组装，由此大量生产。
本领域的技术人员应该清楚可以对本发明做出各种修改和变化。因此，本说明书的意图是只要对本发明的修改和变化落在了权利要求及其等同物的范围内，本发明就覆盖了这些修改的变化。
权利要求
1.一种平板型压电超声电机，通过超声振动对转子产生转动力，该电机包括振子，由弹性材料形成；多个压电片，附在振子上；转子，驱动地连接到振子上可被振子转动；和电源单元，用于对压电片施加驱动电压，其中，所述多个压电片被布置在振子的四分表面区上，其方式是，相邻压电片的纵向轴之间形成给定角度，相对的压电片具有相反的极性；和该电源单元对压电片施加交流驱动电压由此使转子转动。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个压电片的一半和另一半被分别附在振子的上表面和下表面上。
3.根据权利要求1所述的电机，其中，所有的压电片被附在振子的上表面和下表面中的一个上。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的电机，其中，交流驱动电压彼此在相位上相差90°。
5.根据前述的权利要求1至3中任一项所述的电机，其中，给定角度是75°至105°。
6.根据权利要求5所述的电机，其中，给定角度是90°。
7.根据前述的权利要求1至3中任一项所述的电机，其中，振子具有用于将振子连接到转子的多个腿。
8.根据前述的权利要求1至3中任一项所述的电机，其中，振子具有中心孔，由垂直地附在基座上的转动轴穿过所述的中心孔，该转子由该转动轴的顶端可转动地支撑。
9.根据前述的权利要求1至3中任一项所述的电机，其中，振子包括由导体材料形成的接线端，用于对压电片的电极供应电源。
10.一种平板型压电超声电机，用于通过超声振动对转子产生转动力，该电机包括振子，由弹性材料形成；多个压电片，附在振子上；转子，驱动地连接到振子由此可被振子转动；预加载器，用于使转子接触振子；和电源单元，用于对压电片施加驱动电压，其中，所述多个压电片被布置在振子的四分表面区上，其方式是，相邻压电片的纵向轴之间形成给定角度，相对的压电片具有相反的极性；和该电源单元对压电片施加交流驱动电压由此使转子转动。
11.根据权利要求10所述的电机，其中，所述多个压电片的一半和另一半被分别附在振子的上表面和下表面上。
12.根据权利要求10所述的电机，其中，所有的压电片被附在振子的上表面和下表面中的一个上。
13.根据权利要求10所述的电机，其中，预加载器是板簧。
14.根据权利要求10所述的电机，其中，预加载器是盘簧。
15.根据前述的权利要求10至14中任一项所述的电机，其中，交流驱动电压彼此在相位上相差90°。
16.根据前述的权利要求10至14中任一项所述的电机，其中，给定角度是75°至105°。
17.根据权利要求16所述的电机，其中，给定角度是90°。
18.根据前述的权利要求10至14中任一项所述的电机，其中，振子具有用于将振子连接到转子的多个腿。
19.根据前述的权利要求10至14中任一项所述的电机，其中，振子具有中心孔，由垂直地附在基座上的转动轴穿过所述中心孔，该转子由该转动轴的顶端可转动地支撑。
20.根据前述的权利要求10至14中任一项所述的电机，其中，振子包括由导体材料形成的接线端，用于对压电片的电极供应电源。
全文摘要
提供了一种用于通过超声振动对转子产生转动力的平板型压电超声电机。在这种压电超声电机中，振子按给定尺寸由弹性材料形成，多个压电片被附在振子上，转子被驱动地连接到振子由此以被转动，电源单元对压电片施加驱动电压。压电片被布置在振子的四分表面区上，其布置方式是，相邻压电片的纵向轴之间形成给定角度，并且相对的压电片具有相反的极性，电源单元对压电片施加交流驱动电压由此使转子转动，由此可以简化压电片的形状，使其最小化其尺寸和提高其驱动效率。
文档编号H02N2/14GK1780135SQ200510059779
公开日2006年5月31日 申请日期2005年3月31日 优先权日2004年11月24日
发明者柳政湖, 郑大铉, 闵诚元, 姜秉佑, 崔炯敏, 科克·伯哈尼汀 申请人:三星电机株式会社