具有改进阻抗匹配的换能器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及换能器的改进，换能器也被称为致动器。
【背景技术】
[0002] 图1示出了理想的简单支撑分布式模式致动器（压电致动器）10(其也被称为换 能器）的说明图。压电谐振元件11保持于理想的简单支撑支架12中。支架12抑制元件 11在任何方向上进行任何平移运动，同时允许围绕在梁端部的旋转点进行旋转运动。这构 成了理想的简单支撑。换能器被示出为安装到机械地面13,并且将功率或力或速度14耦合 到未示出的负载中。
[0003] 图2示出了惯性压电致动器20(也被称为换能器）的说明图。压电谐振元件21 安装在耦合器22上。耦合器22本身安装到要被驱动的负载23。耦合器22将功率或力或 速度24耦合到负载23中。
[0004] 图3示出了作为负载阻抗的函数的、如图1或图2所示的代表性换能器的速度和 力的示意图，还示出了所得的功率。负载阻抗从零变化到最大（其是无限的），但在这里表 示为1。
[0005] 示出了代表性换能器的谐振元件的速度。其在零负载阻抗具有最大值，被称为自 由速度。速度在最大或无限负载阻抗具有最小值。
[0006] 还示出了由换能器谐振元件提供给负载的力。其在零负载阻抗具有最小值，并且 在最大或无限负载阻抗上升到最大值。
[0007] 示出了可用于从换能器耦合到负载的功率，其中功率是力X速度的乘积。
[0008] 理想的是，所期望的力、速度和功率需要在换能器操作的频率范围内从换能器耦 合到负载阻抗，频率可以从50000Hz向下延伸至有效的0Hz，其涵盖但不限于音频范围。可 以从换能器耦合到负载阻抗的功率可以被认为是换能器的品质因数，并且当考虑到功率 时，与将换能器耦合到负载相关联的问题可以很容易地被理解。
[0009] 在某些换能器应用中，期望将最大速度耦合到负载，而在某些换能器应用中，期望 将最大力耦合到负载。对于这两种情况中的任一个来说，可能期望的是将最大可能的功率 耦合到可用于特定换能器设计的负载，从而为特定的应用尽量减小换能器的所需尺寸。
[0010] 为了将来自换能器的所需功率有效地耦合到负载，换能器的机械阻抗应在有利的 频率范围内匹配于负载，这也将导致功率、力以及速度随频率相对平滑的变化。
[0011] 在图4中，示出了负载和换能器之间的阻抗匹配的示意图，还示出了从换能器耦 合到负载的所得的功率。在理想的情况下，负载和换能器阻抗是匹配的，如由倾斜的实线表 示，从而导致作为由在任意示出为1的功率传输级别的水平实线表示的可用功率的函数的 最大功率传输。这意味着在理想的情况下，当阻抗被匹配时，可以将最大量的可用功率从换 能器传输到负载。然而，如果换能器和负载阻抗不匹配，例如换能器阻抗大于或小于负载阻 抗，则功率传输可以显著降低，例如达一个数量级。这意味着在这种情况下，当阻抗不匹配 时，可以将小于最大量的可用功率从换能器传输到负载，这被表示在图4中，其中虚倾斜线 表明在负载和换能器之间存在阻抗不匹配，导致功率传输大大减少，如由水平虚线所示。
[0012] 换能器和负载阻抗在操作的频率范围内常常是不匹配的，从而导致减少的功率传 输、速度或力，并且导致功率、力或速度随频率的变化是不光滑的。
[0013] 本发明试图解决这些问题。
【发明内容】
[0014] 在一方面，本发明提供了一种换能器，在操作频率范围内具有机械阻抗，并且在操 作频率范围内具有至负载的期望的功率耦合，所述换能器包括：
[0015] 压电装置，其在操作频率范围内具有模式的频率分布；和
[0016] 包覆模制，其中，
[0017] 所述包覆模制布置成包围所述压电装置的至少一部分；以及
[0018] 所述包覆模制的参数选择成提供所述换能器的机械阻抗和所述负载的机械阻抗 之间所需的阻抗匹配，由此，
[0019] 提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。
[0020] 在另一方面，提供了一种换能器，具有操作频率范围，并且在操作频率范围内具有 至负载的期望的功率耦合，所述换能器包括：
[0021] 压电装置，其在操作频率范围内具有模式的频率分布；
[0022] 安装装置，用于保持所述压电装置的周边的至少一部分的离散部分，并且其中，
[0023] 所述安装装置的参数选择成为所述压电装置的周边提供所需的边界条件，由此，
[0024] 提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。
[0025] 在另一方面，提供了一种换能器，在操作频率范围内具有机械阻抗，并且在操作频 率范围内具有至负载的期望的功率耦合，所述换能器包括：
[0026] 压电装置，其在操作频率范围内具有模式的频率分布；和
[0027] 阻抗匹配装置，至少部分地围绕所述压电装置；
[0028] 其中，
[0029] 所述阻抗匹配装置的参数选择成提供所述换能器的机械阻抗和所述负载的机械 阻抗之间所需的阻抗匹配，由此，
[0030] 提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。
[0031] 在另一方面，提供了一种制造换能器的方法，所述换能器在操作频率范围内具有 机械阻抗，并且在操作频率范围内具有至负载的期望的功率耦合，所述方法包括：
[0032] 提供压电装置，其在操作频率范围内具有模式的频率分布；以及
[0033] 将阻抗匹配装置包覆模制到该压电装置上，以便至少部分地围绕所述压电装置；
[0034] 其中，
[0035] 所述阻抗匹配装置的参数选择成提供所述换能器的机械阻抗和所述负载的机械 阻抗之间所需的阻抗匹配，由此，
[0036] 提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。
[0037] 在另一方面，提供了一种换能器，包括：
[0038] 面板形式的压电装置；以及
[0039] 支撑，
[0040] 所述支撑包括弹性体元件和机械地面，所述弹性体元件至少在该压电装置的周边 的一部分支撑该装置，以及该装置的至少一部分通过所述弹性体元件延伸到所述机械地面 的凹部中。
[0041] 下面仅通过示例并参照附图，对上述的换能器及方法的实施例进行说明。参照针 对压电致动器，其中这包括致动器或换能器，比如模式致动器、分布式模式致动器（DMA)以 及其他类型的致动器和换能器。
【附图说明】
[0042] 图1示出了理想的简单支撑压电致动器的示意图。
[0043] 图2示出了理想的惯性压电致动器的示意图。
[0044] 图3示出了作为负载阻抗函数的、如图1或图2所示的代表性换能器的速度和力 的示意图，还示出了所得的功率。
[0045] 图4示出了特征表现为换能器阻抗的换能器和特征表现为负载阻抗的负载之间 的功率传输的示意图，示出了负载阻抗和换能器阻抗失配的示意图。
[0046] 图5示出了作为用于理想的简单支撑压电致动器的频率函数的自由速度（无负载 阻抗）和阻滞力（无限负载阻抗）。
[0047] 图6示出了作为用于惯性压电致动器的频率函数的自由速度（无负载阻抗）和阻 滞力（无限负载阻抗）。
[0048] 图7示出了在各种情况下驱动5Ns/m的负载阻抗时对于未修改的简单支撑和未修 改的惯性压电致动器这二者的、作为频率函数的速度。
[0049] 图8示出了采用阻抗匹配装置修改的简单支撑压电致动器的示意图。
[0050] 图9示出了采用阻抗匹配装置修改的惯性压电致动器的示意图。
[0051] 图10示出了对于如图7所示的简单支撑压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m负 载阻抗的非优化修改的简单支撑压电致动器这二者的、作为频率函数的速度。
[0052] 图11示出了对于如图7所示的惯性压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m负载阻 抗的非优化修改的惯性压电致动器这二者的、作为频率函数的速度。
[0053] 图12示出了具有软硬弹性体/聚合物阻抗匹配装置的优化修改的简单支撑压电 致动器的示意图。
[0054] 图13示出了具有软硬弹性体/聚合物阻抗匹配装置的优化修改的惯性压电致动 器的示意图。
[0055] 图14示出了对于如图7所示的简单支撑压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m负 载阻抗的图12所示的优化修改的简单支撑压电致动器这二者的、作为频率函数的速度。
[0056] 图15示出了对于如图7所示的惯性压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m的匹配 负载阻抗的图13中所示的优化修改的惯性压电致动器这二者的、作为频率函数的速度。
[0057] 图16示出了对于图12所示的简单支撑压电致动器的端部安装的一个示例的示意 图。
[0058] 图17示出了对于图12所示的简单支撑压电致动器的端部安装的另一示例的示意 图。
[0059] 图18示出了对于如图7所示的简单支撑压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m负 载阻抗的图16和17所示的优化修改的简单支撑压电致动器的、作为频率函数的速度。
[0060] 图19示出了对于如图7所示的简单支撑和惯性压电致动器和各种情况下驱动 5Ns/m的匹配负载阻抗的优化修改的简单支撑压电致动器的、作为频率函数的速度。
[0061] 图20示出了对于图12所示的简单支撑压电致动器的端部安装的另一示例的示意 图。
【具体实施方式】
[0062] 在下文中，总体上公开了一种可以用来将期望的功率耦合至负载的换能器。
[0063] 关于提供从换能器耦合到负载的期望功率，