专利名称：压电马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及到压电装置，尤其是涉及一种具有径向动作的压电致动器的旋转马达。
常规的电磁马达通常需要各种除热设备，在马达中的热量是由于电阻以及滑环、电刷、传送固定和转动结构之间电功率的换向片的滑动摩擦所产生，通过各滑动接触传导均匀适中的电流，其接触反复地结合和断开，造成导电体不断地重新排列。结果，接触表面随着连续使用而变得较粗糙，电刷具有相对小的接触表面积，它通常比滑环磨损得快，这些电阻发热、接点焊接和短寿命的马达部件等特性使常规的电动马达不能满足某些应用领域和环境。
电动马达在诸如外部空间环境中应用的局限性，导致了对转换器、致动器和马达变型的研究，例如压电器件在重量和效率方面具有优点，这对空间应用领域是重要的考虑因素。然而压电致动器在传动速度方面有局限性，且已知的压电马达不能高速运行，因此需要有一种高速、高效率的压电马达，以能在恶劣的环境和远方场地进行工作。
根据本发明的目标，提供一种压电马达，包括一个马达外壳;一个马达轴，它具有轴线和带坡度的波纹表面，该轴在外壳内延伸並可围绕它的轴线转动;一个定位在外壳内的压电致动器;起动装置，它与致动器连接，用于促使致动器向轴线上施加一个径向力並与轴的带坡度的波纹表面接触，该波纹表面将径向力转换成切向力，以使轴转动。
本发明包括一个转动马达，该马达中有多个径向动作的压电致动器，将转动传送给具有波纹表面的轴。电信号可以分配给致动器，造成致动器和轴波纹的两侧斜坡间断接触。最好，每个波纹的斜坡面把间断施加的径向力转换成使轴转动的切向力。轴波纹的斜坡可以提供一种机械效益，即将致动器的慢径向速度转换成快得多的轴旋转速度。
通常致动器的位置是由所施加的电信号确定的，如果电源电压恒定，电源与一个致动器的连接导致一种正弦指数运动，在这种情况中，轴波纹作成正弦指数形，以便与致动器运动相匹配。然而，轴波纹可以作成任何期望的形状，或做成容易加工的外形，並且致动信号可以电气变换，以使致动器的运动与波纹形状匹配，电荷可通过开关和其他转换电路分配给各致动器。通过运用音响激励和使致动器与轴之间接触的滚动器(roller)，可以进一步提高效率。
为了更全面地了解本发明和其进一步的优点，以下结合附图对较佳实施例进行叙述，在附图中同一参考号代表各图中相同的或相似的部件，其中
图1是本发明压电马达的透视图，假定通过一个透明的外壳示出，还包括一张电气控制线路的方块图;
图2A是用于驱动图1所示马达致动器的电气控制线路的简示图;
图2B是用于图2A线路的电荷Q作为时间的函数的标准曲线图;
图3是具有一个与图1的马达轴接触的滚动部件的致动器剖视图;
图4是包括有一个声学激励线路的电气控制线路简示图;
图5是具有用于使电荷在致动器中传递的附加开关的电气控制电路简示图;
图6是本发明压电马达的另一实施例透视图。
图1示出本发明转动马达的一个实施例。该马达包括一个马达外壳12(所示显然仅为了叙述目的)，一个具有表面波纹28的可旋转马达轴10，和多个在外壳12内安装並环绕轴10波纹面28的径向动作的压电致动器14。每个致动器14包括一个压电体20，一个使压电体20附在外壳12上的基座21和一个冠部22被固定在与基座21方向相对的压电体20上。一个电控制器16正如所示包括诸如开关34的多个电气开关，电控制器16与电源18相连，电源18如所示包括诸如电池36的多个电池，每个致动器14的每个压电体20包括一或多个压电片体，每个片体通过诸如引线24一样的电线与控制器16相连接。
在马达工作时，来自电源18的电荷由控制器16分配给各致动器14，使致动器14按径向力箭头30所示径向循环。径向力30作用在波纹28斜坡面上产生一个切向力，用箭头32表示。由多个致动器14的径向力30产生的切向力32的平均总和使轴10绕其轴线顺或逆时针转动，如箭头26所示。在旋转了适当的次数时，每个致动器14使力30减小和/或促使冠部22抬高，避开了波纹部分28，以使轴转动不受阻碍。波纹28在马达中可以是对称于轴的，该轴可在两个方向同样转动，但是他们在单向马达中可以是不对称的。波纹28是与旋转轴上的各凸轮相似，用于将力加到各致动器拉杆上，如先有技术所熟知的。但在本发明中，致动器14把力加到波纹28上，以使轴10转动。
轴10的最高转速可以通过将致动器14直接连到恒定电压的电源来实现。例如，当开关34闭合时，电流将立即从电池36流到致动器本体20。在此电路中，压电致动器本体20电气上作用如同电容。与时间呈函数关系的电路中的电流呈正弦形且成指数地衰减，正弦因素由电路中的电容和电感造成，而指数因素由电阻造成。最小实用值的电阻和电感提供了最快的压电激励，导致熟知的电压和电流的衰减振荡。所有的压电致动器14连接到电源18的最高电压就形成了最快转速的马达。
图2A示出用于本发明马达的电激励系统简示图。在图2A中，C代表一个压电致动器本体20或其片体的电容，L代表各部件和线圈的电感，以及R代表各部件和线圈的电阻，E0代表由电池36供给的恒定电压，以及S1和S2代表电器开关。
图2B是图2A电路的致动器C上电荷与时间的函数曲线图。在t0时，开关S1闭合，致动器C上电荷Q呈正弦指数上升，如电路原理领域所熟知的，且用图2B中的实线表示。电荷Q曲线相应于在压电反应极限内致动器冠部22的实际位置，正如所描述的，电荷Q按正弦指数累积，直到时间t1处，达到冠部22期望的最大冲程。如果电路中没有发生进一步变化，平缓衰减的正弦曲线表示电荷Q随时间的变化。然而在时间t1处，开关S1打开而开关S2闭合，引起电荷Q瞬间地按正弦指数下降，和冠部22作对应的正弦指数移动，直到时间t2至此，致动循环可重复进行。作为举例，1立方英寸铅-锆酸盐-钛酸盐压电材料，在大约5微秒内达到它的t1位置。
当波纹28数目和致动器14的数目相等时，各致动器14动作一致是恰当的。在这种情况下，在扭转部分每个循环的期间，外壳12经受着基本上均匀的内压力，因此使围绕致动器14基座21的外壳12的弯矩最小。当轴波纹28比致动器14的数目多时，致动器14适合于顺续动作，顺续动作使施加到轴10上的扭矩有均匀分布的好处，特别当定时地使致动器冲程叠交时更好，顺序动作要求来自电源18的电流最小，且使马达运转均匀平稳。
本发明马达的最佳性能需要轴的波纹与致动器的运动相匹配，例如，轴的波纹28可以构成一种易于加工的外形，借助控制器16通过逐段接近需要的电荷转换时间函数，致动器的运动即可与那样的外形相匹配，正如先有技术已知的，这可以借助压电切片体、电源部件、开关次数和电气线路的各种组合来实现。当切换时，用恒定电压源18、轴10的波纹构形成正弦指数形，从而在扭转部分的每个致动循环期间允许轴10上施加一个几乎恒定力30，每次循环的剩余部分包括冠部22无力退出与轴10波纹28接触或与之完全脱开。冠部22的动作受电气控制器16控制。如上所示，控制器16可以包括各个开关和其他电路元件的各种组合。通过电气调整致动器时标和转速，波纹28的各段不同波度即可被用于提供一定范围的轴转速和扭距。可以利用各压电致动器的往返性，通过提取自己产生的压电信号提供轴角度位置和致动器接触力方面的反馈信息。正如先有技术所知的，也可以用常规的轴角度编码器为电气控制器16提供反馈。
用于本发明各实施例中的致动器14的动作是齐步的，全部致动器冠部22可以平静地落在波纹28的顶峰或凹部上，从而防止马达启动。在本实施例中通过压电体20各片体提供到波纹28上的切向作用可以保证启动。在启动时，切向作用的各片体可驱使轴开始转动。当转动速度达到由致动器14的主径向动作的压电片体控制的转速范围时，可以使切向片体不起作用或被用于连续地调整致动器冠部和波纹的相对位置;检测切向力和测量转矩;或调整致动器冠部的位置以适应因热膨胀或磨损所致的变化。
因为压电致动器14的冲程本来就短，所以轴波纹28必须小。因而必须使致动器冠部22和轴波纹28之间的摩擦减小到使本发明马达能有效工作的最低可行值。
图3示出所设计的减小了致动器和轴之间接触摩擦的致动器14的实施例。图3是一段致动器的剖面图，示出冠部22附在压电体20上的情况。构成的冠部22持住一个滚动部件38。在图3所示的实施例中，滚动部件是一个座落在冠部22中间且被它围住的圆柱滚动体38，它自由地绕着其轴线转动，润滑液体由管子40和一个或多个注孔42供给，以使滚动体38和冠部22之间的交界面44处形成一层薄膜。本实施例使摩擦系数减小到最小值，从而允许致动器的尺寸和压电冲程范围大。在恶劣环境中，润滑方式可以设计成另外的形式，例如液体密封和回收系统、无液体滚动部件和声学的激励系统。
图4示出一个附在图1的马达、电源18和控制器16上的声学激励系统例子，在图4中示出一个连接在电源18和电气控制器16之间的声学激励器46。每个电气通路使电源18与压电体28或它的部件相连系。激励器46包括一个具有一次线圈52和二次线圈48的转换器，交流电源50与全部一次线圈52相连，供给一次线圈52的交流电源在二次线圈48中感应出交流信号，该交流信号被压电体20传感，从而在冠部22产生小幅值振动被附加到大幅度致动器冲程上，减小了冠部22(或滚动体38)与轴波纹28的接触时间，从而减少接触摩擦。其他的激励器46的实施例可以包括交流电的电容耦合，例如，具有不齐步动作的压电致动器的马达实施例，它从分别的激励耦合获得这样的益处即，它允许在致动器循环中的无扭矩部分工作期间，交流激励不作用以保存能量。
图5示出开关54加到控制16上，以增大系统效率。通过选择性地将电荷从已经完成它的动力冲程的满荷致动器，诸如压电体20a，传送到即将开始它的动力冲程的无荷致动器，诸如压电体20b，于是，通过调整致动器循环时间和切换电路，实现致动器的电荷高度均分，可以使本发明的马达的总效率最佳。
图6示出本发明的一个实施例，它包括设在致动器冠部22和轴波纹28之间的滚柱44，在这个实施例中，冠部22具有一个弯曲的内接触表面，设计的弯曲外形与波纹28相配合，以使从致动器冠部22通过圆柱形滚柱44到轴波纹28上获得最佳的动力传输，滚柱44的数目必须等于或小于致动器冠部22的数目，因为每个致动器每一次仅可以控制一个滚柱44的位置，滚柱直径和冠部22的等效直径之间相似的几何关系，是连续调整冠部22所需要的，是靠将慢变化的电荷叠加到所有致动器的正常工作信号上实现的。这种慢变化的电荷，也能抵偿诸如摩损和不同的热膨胀的因数。
在图6所示的实施例中，如上所述，可以用反映滚柱44位置和与冠部22相关的波纹28的反馈信号去控制电气开关的工作时间和选择。例如，通过常规的滚柱轴承座可以保持滚柱44与轴的轴线平行。另外，如果需要，可以起动单独的可编址压电剪切块或厚形片体56和58适当的次数，以围绕垂直于滚柱的轴线施加一个转矩，或对滚动体间隙做精密调整。活动的滚柱位置消除了与机械滚柱座相关的摩擦损失。
本发明压电马达的优点是能用电池和固态开关而不用诸如转换器、滤波器和放大器这样的精制的电路。不用声学激励的各种马达实施例具有平静运转的优点，由于在马达中储存的能量消耗最小而得到高的效率，该马达不需要使用铁磁性材料，因此可在强磁场中运转，因为熟知的压电材料的可逆性，结合电气控制电路的适当改进，本发明也可以作为一台将机械能转换成电能的发电机使用，这是为本技术领域所熟知的。
尽管已结合相关的具体实施例对本发明作了叙述，但熟悉该技术领域的人员可提出各种的变化和改型，因此本发明的范围应包括落在附加的权利要求范围内的这些变化和变型。
权利要求
1.一个压电马达，包括一个马达外壳；一个具有轴线和带有坡度的波纹表面的马达轴，所述轴在所述外壳中延伸且可围绕它的轴线转动；一个定位在所述外壳中的压电致动器；与所述致动器连接的起动装置，用于促使所述致动器将径向力施加到所述轴的轴线上，並与所述轴表面的带坡度的波纹面相接触，该带坡度的波纹面将径向力转换成切向力，使所述轴转动。
2.权利要求1的一个压电马达，其中所述致动器包括一个压电材料本体;一个致动器基座，用于使所述压电体与所述外壳相连，以及一个附着在与所述基座相对的所述压电体上的冠部，所述冠部用于与所述轴表面的带坡度和面相接触。
3.权利要求2的压电马达，其中所述压电体包括多个相连的压电片体;而所述起动装置与所述每个片体相连。
4.权利要求2的压电马达，还包括一个定位在所述冠部和所述轴表面之间的滚动部件。
5.权利要求4的压电马达，其中所述滚动部件包括一个座落在所述冠部並从那里延伸的滚柱，以便所述轴表面滚动接触。
6.权利要求2的压电马达，还包括在所述轴的表面上的多个带坡度的波纹;和，定位在所述外壳中並围绕所述轴的表面的多个压电致动器。
7.权利要求6的压电马达，其中所述波纹设有正弦指数的斜坡，而所述起动装置包括一个恒定电压源，可与所述致动器相连。
8.权利要求6的压电马达，其中所述波纹具有一个预定的坡度，而所述起动装置包括用于使所述感应的致动器力与所述预定的坡度相匹配的电路。
9.权利要求6的压电马达，其中所述起动装置包括用于切换所述致动器中电荷的装置。
10.一个旋转式压电马达包括一个马达外壳;一个具有一个轴线並带有多个带坡度的波纹表面的马达轴，所述轴在所述外壳内延伸並可绕着它的轴线旋转;多个装在所述外壳内並围绕所述轴的表面的压电致动器;与所述致动器相连接的起动装置，用于促使所述致动器将径向力加到所述轴的轴线上並接触所述轴表面的带坡度的波纹面，该带坡度的波纹将该径向力转换成切向力，而使上述轴转动。
11.权利要求10的转动式压电马达，其中每个所述致动器包括一个至少包括一个压电材料的片体;一个用于使所述压电体与所述外壳连接的致动器基座;和一个附在上述基座对面的所述压电体上的冠部，所述冠部用于接触所述轴表面的带坡度波纹。
12.权利要求11的转动式压电马达，其中所述起动装置与每个压电材料的所述片体相连接。
13.权利要求12的转动式压电马达，还包括许多滚动部件，所述每个滚动部件定位在相应的一个所述冠部和所述轴表面之间。
14.权利要求12的转动式压电马达，其中所述每个滚动部件包括一个座溶在相应的一个所述冠部中並由此延伸，以便与所述轴表面滚动接触的滚动器。
15.权利要求12的转动式压电马达，其中所述起动装置包括用于声学激励所述致动器的装置。
16.权利要求12转动式压电马达，其中所述起动装置包括用于切换所述多个致动器中电荷的装置。
17.一个转动式压电马达，包括一个马达外壳;一个具有一个轴线和一个带有多个带坡度的波纹的表面的马达轴，所述轴在所述外壳中延伸並可绕着它的轴线旋转;多个定位在所述外壳中並围绕着所述轴的表面的压电致动器，每个所述致动器包括一个本体，它至少具有一个压电材料的片体;一个将所述压电体与所述外壳连接的致动器基座，和一个附着到与所述基座相对的所述压电体上的冠部;多个滚动部件，每个所述滚动部件定位在相应的一个所述冠部和所述轴表面之间;被连到每个所述压电片体上的起动装置，用于促使所述致动器将径向力施加到所述轴的轴线上，而所述压电片体与所述轴表面的带坡度的波纹面相接触，该带坡度的波纹面将径向力转换成切向力，而使上述轴旋转。
18.权利要求17的转动式压电马达，其中所述起动装置包括一个电压源和用于将所述电压切换到所述多个压电片体的装置。
19.权利要求18的转动式压电马达，还包括一个与每个所述致动器本体相连的切向作用的压电片体;和所述起动装置包括用于促使切向作用的片体在马达启动时提供给所述轴表面以切向力使轴开始转动。
20.权利要求18的转动式压电马达，进一步包括一个与每个所述致动器本体相连的压电片体，用于提供反馈信号给上述起动装置。
全文摘要
一台旋转马达采用多个径向动作的压电致动器，将旋转传递给具有表面波纹的马达轴。电荷使致动器径向运动导致和轴波纹的两侧斜坡接触，而转换慢速的径向力成使轴快速旋转的切向力。轴的波纹可做成任何期望或易加工的外形。改变电致动器控制信号以产生适当的径向运动以与轴的波纹匹配。可用开关或线路均分各致动器间电荷。用声学激励和各致动器与轴的滚柱接触提高效率。
文档编号H02N2/10GK1055264SQ9110177
公开日1991年10月9日 申请日期1991年3月22日 优先权日1990年3月23日
发明者戈登·沃尔特·卡尔普 申请人:洛克威尔国际公司