专利名称：压电式电机的操作方法,以及具有空心圆柱振荡器形式定子的压电式电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的、具有空心圆柱振荡器形式定子的压电式电机的操作方法，其中空心圆柱振荡器的至少一个前侧面与转子摩擦接触，并且空心圆柱振荡器中包括驻波发生器，本发明涉及根据权利要求3前序部分的、具有空心圆柱振荡器形式定子的压电式电机，其中空心圆柱振荡器的至少一个前侧面和转子摩擦接触，并且空心圆柱振荡器中包括驻波发生器。
背景技术：
压电式超声电机从US5,654,604中就公知了，这种电机的操作模式是基于其中产生弯曲波的薄金属谐振器的激励的。
为了用这种电机激励弯曲波，优选地通过粘合将薄的压电盘固定到金属谐振器。由于一方面压电盘和另一方面金属谐振器的不同热膨胀系数，这些电机的主要缺陷在于，或多或少不可能获得刚性的连接。因此，这样的连接是依靠具有一定剩余弹性的环氧树脂粘合剂来产生的，从而补偿膨胀系数上的差异。然而，这样的连接削弱了金属谐振器和压电盘之间的声耦合，使得振荡器的能力受到限制并且增加了电机的机械损耗。由于超声波能量对粘合剂的影响，存在粘合剂的粘性改变的危险，其结果是电机的振动特性被削弱。由于上述的原因，这种结构的电机只具有有限的机械性能、短暂的使用寿命并因此具有完全不能令人满意的实用特性。
操作模式以在整体式圆柱压电谐振器中传播的膨胀波的激励为基础的压电式超声电机同样是公知的。例如参考US5,872,418。
因为这种电机的整个谐振器由压电材料制成，所以由不同膨胀系数引起的问题将不会出现。然而，利用膨胀波的超声电机的缺陷在于，振荡器的所有点几乎具有相同的振动速度。这表示存储在振荡器中的能量均匀地分布到整个体积上，这种分布导致因为点的内部摩擦不与振荡器摩擦表面直接相邻所引起的不必要的损耗。而且，这种电机的振荡器表面上不存在振动速度取零值的区域。这意味着很难以刚性的方式相对于机架安放这种电机的振荡器。因此用橡胶类弹性材料完成固定，然而这种材料由于超声波的影响会发热。同样导致能量损失和整个电机的发热。
而且，如果振动的振荡器接触到弹性附件，机械品质被降低，所以需要更高的激励电压。固定装置所需的弹性适应性阻止了定子相对于机架的绝对刚性固定，并且使这种电机的相位特征更难，所以它们在为了精确和微定位的系统中的使用变得更加困难并且更加成本密集。
发明内容
基于以上内容，因此本发明的目的在于提供用于操作具有空心圆柱振荡器形式定子的压电式电机的先进方法，其中空心圆柱振荡器的至少一个前侧面和转子摩擦接触。此外，本发明的目的还在于提供具有空心圆柱振荡器形式定子的压电式电机，其中振荡器和振荡器或电机的固定装置中能量损失都保持为很小。根据这个目的，这种电机的激励电压将被降低，并且改进的相位特性将被提供。
对于这种方法，本发明的问题用根据权利要求1的示教来克服，对于压电式电机，通过根据权利要求3的特征的结合来克服，从属权利要求至少包含有用的实施例和改进。
因此，本发明的基本观点在于，通过设定相同的耦合切向-轴向振动模式，用新型的声波来激励空心圆柱振荡器。选择振荡器的尺寸并且设计激励装置，使得在振荡器圆周上以及沿振荡器的高度实现这样一种声波振动速度的分布，借助于这种分布，在振荡器中循环的振动能量被集中在与转子摩擦接触的振荡器前侧面，并且具有最小振动速度的波节线分别在振荡器的长度或高度中心上延伸。于是，能够在这个具有最小振动速度的波节线上实现例如到电机机架的刚性连接。
因此，所提供的压电式超声电机是由有至少一个前侧面与转子摩擦接触的空心圆柱振荡器构成的。而且，振荡器包括声驻波发生器，其中这些发生器中的每一个都是表示振荡器本体的耦合切向-轴向振动的声驻波的发生器。其中切向和轴向的振动分量具有0或180°的相位，切向振动速度最大值位于振荡器的前侧面，轴向振动速度最大值略微在振荡器的这些前侧面下面延伸。随着与振荡器前侧面轴向方向的距离的增加，两个振动速度越来越小，波节线在空心圆柱振荡器本体的高度中心上、平行于振荡器前侧面延伸，在波节线上，轴向的振动速度取值为零且切向的振动速度达到最小值。而且，也可以用轴向延伸的波节线划分振荡器本体，波节线上的切向或轴向振动速度每一个都等于零。
换句话说，压电式电机的空心圆柱被设定为耦合切向-轴向振动模式，其中圆柱主要有切向和轴向的振动分量。振荡器的激励被影响，使得在空心圆柱的前侧面上形成切向分量振动速度最大值，并且在空心圆柱前侧面的下面形成轴向分量振动速度最大值，其中，如上所述，分量朝圆柱高度中心的方向减小，并且在圆柱高度中心形成基本平行于前侧面的波节线，在波节线上，轴向振动分量取值为零，切向振动分量取得最小值。
激励是用与振荡器谐振频率相对应的频率来实现的，并且在此频率上形成耦合切向-轴向振动模式的驻波。
由于在根据本发明的电机振荡器中激励的声波是其振动速度最大值位于与转子摩擦接触的振荡器前侧面上的声波，而振动速度最小值在振荡器中间部分延伸，所以振荡器的动能被集中在振荡器前侧面的附近，即需要驱动转子的地方。
通过上述的方法，损失被减少到内部摩擦所能容许的范围内。这样，空心圆柱振荡器本体的不希望的发热也被减少。
此外，正如已经指出的那样，可能在振荡器的中间部分设置固定装置，这个固定装置不加载振荡器，即空心圆柱体。这个固定装置不引起导致高能量损失的机械阻力。这样，激励振荡器所需的电压就可以被减少。
根据本发明的压电式电机可以实现为不同的实施例。
根据第一实施例，振荡器，即空心圆柱体，被构造成整体式压电体，在压电体的表面区域提供一个或多个电极。
设置在例如内部表面区域上的公共参考电极以及设置在它们之间的压电陶瓷一起构成了声驻波发生器。
根据本发明的电机的第一实施例允许最小的尺寸。
根据第二实施例，振荡器可以被构造成整体式的非压电体。在这个实施例中，声驻波发生器被设计为连接到振荡器的刚性压电元件。
通过这样的改进，大尺寸、大容量的电机能够被实现。
根据本发明的电机的另一个有利的实施例在于振荡器包括两个空间移位为四分之一波长的驻波发生器。
因而，发生器的电激励是相移为90°的两相激励。用这种激励方式，在振荡器中产生行波，并且转子获得与行波相反的移动方向。用这样的结构能够提供两相行波电机。
同样能够构造根据本发明的压电式电机，使得振荡器包括三个空间移位为三分之一波长的驻波发生器。
于是，选择发生器的电激励具有相移为120°的三个相位。这样，在振荡器中也产生行波，并且转子获得与行波相反的运动或旋转方向。这种改进使得实现三相行波电机成为可能。
最后，能够构造根据本发明的电机，使得振荡器包括至少一组声驻波的相似发生器。这些发生器在相反方向上的空间移位为二分之一波长，并且连接到电激励源上。
在这个实施例中，选取振荡器的高度，使得振荡器的纵向振动与切向-轴向的振荡器振动同时发生。这两种振动方式的叠加使得位于振荡器前侧面的点与表面倾斜一个角度地做直线运动。这样，压电式驻波电机能够很容易地被提供。
在下文中将依靠实施例并且参照附图更详细地解释本发明。在附图中附图1表示根据本发明的包括空心圆柱振荡器的压电式电机的
具体实施例方式
附图1所示的压电式超声电机包含定子1，定子1的至少一个摩擦侧面3与转子4摩擦接触。
振荡器2除了包括振荡器前侧面7上提供的各个摩擦层6之外，也包括驻波发生器5。
未图解说明的、振荡器2相对于电机机架的连接是由支撑设备8来实现的。
转子4包括依靠弹性元件10向振荡器2挤压的摩擦盘9。这种弹性元件10可以是例如金属弹簧构件或具有盘簧性质构成的合成弹簧。
此外，转子4包括设置在轴12上的中心衬套11和轴承13。
附图2表示根据本发明的电机振荡器2，这个振荡器被构造为其圆周中心线L的直径D约等于高度H、并且圆周中心线L等于振荡器圆周上激励的波长λ的、整体式的、压电的、放射状极化空心圆柱体14。
为了易于理解，并且为了帮助阐述激励的类型和波形，这个振荡器只配置有一个发生器5。发生器5是由位于外表面区域的激励电极15、位于内表面区域的公共参考电极16以及设置在它们之间的极化压电陶瓷区域来构成。激励电极15的长度通常等于或小于波长λ的一半。
在附图3，位置17中图解说明了只借助于一个发生器5仅激励耦合的切向-轴向振动的一个驻波的振荡器的形变图。
圆周中心线L与振荡器中激励的波形的波长λ相等，也就是，在振荡器中激励第一耦合切向-轴向振动模式。
位置18和19表示位置17所示这种情况的切向和轴向振动速度的分布。
当激励第一耦合切向-轴向振动模式的振荡器2时，切向振动速度的最大值20和最小值21在振荡器的前侧面7上交替形成。此外，在振荡器的表面区域形成波节线22，其大约处于振荡器高度中心且平行于前表面延伸。在这条波节线上，切向振动速度取得其最小值并且轴向振动速度取零值。
此外，振荡器2的表面区域被四条其上切向和轴向振动速度取其零值的、轴向延伸的波节线23、24交替划分。
附图4图解说明了所提出的、其圆周中心线L直径D近似等于2H且圆周中心线L取值为2λ的电机振荡器2。这个振荡器配置有两个驻波发生器5。
附图5，位置25现在表示当依靠两个发生器5仅激励耦合切向-轴向振动的一个驻波时，附图4的振荡器的形变图。这里圆周中心线L等于2λ，也就是，在振荡器中激励第二耦合切向-轴向振动模式。
位置26和27表示这种情况的切向和轴向振动速度的分布。
附图6涉及根据本发明的、其圆周中心线L直径D近似等于3H且圆周中心线L取值为3λ的电机振荡器2。这个振荡器配置有三个驻波发生器5。
附图7，位置28现在阐述了当依靠三个发生器5只激励耦合切向-轴向振动的一个驻波时，附图6的振荡器的形变图。这里圆周中心线L等于3λ，也就是，在振荡器中激励第三耦合切向-轴向振动模式。
位置29和30表示这种情况的切向和轴向振动速度的分布。根据同样的原理，依靠这些振荡器也可以激励更高的模式。
根据附图8所示的图解说明，振荡器2被构造为由例如金属、陶瓷、玻璃或类似材料制成的非压电体31。这个本体31包括刚性连接到其上的压电元件32。压电元件32可以被设计成带电极34的压电盘33，或者可以有另外的设计。
附图9用于解释当耦合切向-轴向振动模式被激励时振荡器前侧面7上的点的运动轨迹。因此长度S表示发生器5被安放的区域。
附图10公开了应用耦合切向-轴向振动模式的两相行波电机的振荡器2的改进。这种振荡器包括至少两个彼此空间地偏移激励波长的λ/4的发生器5。
为了操作这种电机，发生器5的电激励是以90°的相移来实现的，由此，耦合切向-轴向振动的行波在振荡器2中被产生了。通过相应地改变电机的结构变量，振荡器2上可以配置有几对彼此偏移λ/4并且并行连接的发生器5。因此圆周中心线L的长度是λ的整数倍，也就是L＝kλ，其中k＝发生器对5的数量。
两相振荡器2到两相激励源35的连接如附图11中所示。源35包括两个连接到发生器5中要被激励的电极15的输出36和37。此外，源35还包括连接到公共参考电极16的公共输出38。源35提供了两个正交的电压。
附图12表示应用耦合切向-轴向振动模式的三相行波电机的振荡器的改进。
这种振荡器配置有至少三个彼此空间地偏移激励波长的λ/3的发生器5。发生器5的电激励具有120°的相移，从而在振荡器2中产生行波。通过电机不同的结构改进，振荡器2可以配置有几对彼此偏移λ/3并且并行连接的发生器5。
根据附图13的电路用于用三相激励源39控制三相振荡器2。
源39有三个连接到发生器5的激励电极15的输出40、41和42，此外还包括和参考电极16相连的公共输出43。激励源提供了三个120°相移的电压。
附图14表示由于耦合切向-轴向振动的行波的激励，振荡器表面7的椭圆状运动轨迹。
附图15表示由于振荡器的耦合切向-轴向振动以及纵向振动驻波的同时激励，振荡器表面7的运动轨迹。
在振荡器2的这种改进的实施例中，在振荡器的表面7上提供区域44和45，其中切向和轴向的振动速度分量近似相等，它们的相移为0或180°，并且点的运动轨迹相对于表面7以一个角度对准。
附图16表示应用了耦合切向-轴向振动的驻波的、根据本发明的电机实施例的单相改进型的振荡器2，在其表面7的区域44或45中排列有五个主动发生器5和五个摩擦元件46。
附图16的这种单相电机的相应的电气连接如附图17中所示。激励源47包括连接到参考电极16的输出48。输出49依靠转换开关50连接到主动发生器的电极15。源47在输出49上提供了单相电压。
附图1中阐述的压电电机的操作如下。当启动电机时，激励源35、39或47产生具有对应于振荡器2的谐振频率F0的频率的电压，在这个频率上振荡器内能够激励耦合切向-轴向振动模式的驻波。
振荡器的这个振动模式的谐振频率F0能够根据关系式F0＝N/H来近似确定，其中N是与材料和壁厚相关的频率常数。
对于外径为20mm、内径为15mm、高度为20mm、由PI KeramikGmbH公司的压电陶瓷PIC 181制成的振荡器2来说，N＝188,000Hz·cm。
当施加电压到发生器5的电极15、16上时，在振荡器2中激励耦合切向-轴向振动模式的驻波。因此，不管各自选定的频率如何，第一振动模式、第二振动模式、第三振动模式等能够被激励，使得一个波长、两个波长、三个波长等位于振荡器2的圆周上(见附图2，4，或6)。
具有第一、第二、第三耦合切向-轴向振动模式激励的这种振荡器的形变图如附图3、5和7中所示。
空心圆柱的耦合切向-轴向振动模式的特征在于，圆柱的振动主要有切向和轴向的振动分量，而且这些分量有0或180°的相移。切向振动分量的振动速度最大值位于振荡器的前侧面7上，而轴向分量的振动速度最大值稍微低于同一侧面7。
由于与振荡器前侧面7的轴向距离的增加，这两个分量的值越来越小。在圆柱高度H的中心，波节线22平行于振荡器的前侧面7延伸，在这条波节线上，轴向振动速度分量取零值且切向振动速度达到最小值。振荡器主体2交替地由轴向延伸的波节线23和24划分，在这每一条波节线上，切向的或轴向的振动速度等于零。
附图9表示当振荡器2中激励耦合切向-轴向振动模式时位于振荡器圆周前侧面7上的点的运动轨迹。在振荡器2中，可能同时地并且相互独立地激励两个、三个或更多的驻波。通过它们的叠加能够产生行波。为了用两个驻波产生行波，所提出的电机振荡器2配置有至少两个彼此空间地偏移四分之一波长的发生器5(见附图10)。随后用两个正交的激励电压给发生器供电。
为了用三个驻波产生行波，根据本发明的电机振荡器2配置有至少三个彼此空间地偏移三分之一波长的发生器5(见附图12)。在这种情况下，发生器是由两个相移为120°的激励电压来供电的。
在这两种情况下，位于振荡器2前侧面的点沿着附图14所示的相同的椭圆状轨迹移动。由于位于振荡器2前表面上的点的椭圆状移动，转子4被施加了扭矩。
根据电机的另一种有利改进，振荡器2配置有至少一个相似发生器5的组。相似发生器5意味着当向它们施加等相位的电压时引起振荡器的相同的变形。用电机实施例的这种改进，选取振荡器2的高度H，使得在耦合切向-轴向振动模式的同时，在振荡器中也激励纵向振动模式。这两种模式的同时激励只有在选取振荡器的几何尺寸使得这两种振动模式的谐振频率彼此近似时才有可能。
这两种振动模式的叠加导致位于振荡器2前表面7上的点沿直线运动。这条直线相对于表面的倾斜角度是由在各个表面点上的切向和轴向的振幅决定的。附图15(a)到(c)分别表示振荡器前侧面上的切向和轴向的振动速度的变化、它们之间的相位、以及表面点的运动轨迹。
在附图15中能够看出，区域44和45设置在发生器5的边缘，它们有近似同样的切向和轴向振动分量，其相位差为0或180°。换句话说，这些点的运动轨迹相对于表面7以约45°的角度对齐。由于电机的这种结构改进，表面7上的摩擦元件46只布置在区域44中或是在区域45中(见附图16)。
通过控制一组激励发生器来激励定子。由于顶推元件(pushingelement)产生的微动(micro-push)，挤靠在顶推元件上的转子经历了旋转运动。通过控制另一组发生器，顶推元件下面的模式或驻波是以二分之一波长λ/2的移位来激励的。这样，顶推元件的切向偏转的相位就改变了。它们的运动轨迹改变了方向，并且转子经历反向的旋转运动。
附图17描绘的电路表示上述改进式电机的电气连接。电路配置有转换开关50，该转换开关可选地把源47的输出端49连接到位于摩擦元件左侧或右侧的发生器5。这样，转子的运动方向就可以被切换。
根据本发明的所述压电式超声电机的圆柱振荡器在它的前表面上具有切向振动速度的最大值，并且在稍微低于同一个表面，也就是转子被挤靠的地方，的地方具有轴向振动速度的最大值。
同时，这两个振动速度或它们的分量分别在振荡器高度中心消失。这意味着这种电机对于内部摩擦的损失比应用膨胀波的装置小了因子2。振荡器高度中心的最小振幅范围的形成允许固定装置的安装，而不会由此出现额外的损失。振荡器的无损失安装改善了机械的品质，使得电机的激励电压可以被减少。用这样的安装，别的方式中所必须的弹性装置也可以被省略，使得电机的相位特性被改善了。
标号列表1定子2振荡器3振荡器前侧面4转子5发生器6摩擦层7振荡器前表面8固定装置9摩擦盘10 弹性元件11 中心衬套12 轴13 轴承14 整体式的压电振荡器15 激励电极16 参考电极17 振荡器的形变图18 切向振动速度分布表现19 轴向振动速度分布表现20 切向振动速度的最大值21 切向振动速度的最小值22 波节线23 切向振动速度的零线24 轴向振动速度的零线25 振荡器的形变图26 切向振动速度分布表现27 轴向振动速度分布表现28 振荡器的形变图
29 切向振动速度分布表现30 轴向振动速度分布表现31 振荡器非压电本体32 压电元件33 压电盘34 压电元件上的电极35 两相激励源36到38 激励源35的输出39 振荡器的三相激励源40到43 激励源39的输出44到45 表面7的区域46 摩擦元件47 振荡器的单相激励源48-49 激励源47的输出50 转换开关
权利要求
1.具有空心圆柱振荡器形式定子的压电式电机的操作方法，所述空心圆柱振荡器的至少一个前侧面和转子摩擦接触，并且所述空心圆柱振荡器包括驻波发生器，其特征在于所述空心圆柱被设定为耦合切向-轴向振动模式，使得由此在所述振荡器中形成的驻波的切向和轴向振动速度分量，或所述柱体的点分别具有相同的相位或者相位差为180°，所述切向分量的振动速度最大值在所述空心圆柱的前侧面上被形成，所述轴向分量的振动速度最大值在其下方被形成，其中，朝着所述圆柱的高度中心且平行于所述圆柱的前侧面，形成波节线，在所述波节线上，所述轴向振动速度分量取值为零并且所述切向分量取最小值，并且其中，根据模式阶次在所述空心圆柱体中进一步形成轴向延伸的波节线，在所述波节线上，所述轴向或切向振动速度分量的取值为零。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述驻波发生器由对应于所述振荡器谐振频率的频率来激励，并且在所述频率上形成所述耦合切向-轴向振动模式的驻波。
3.具有空心圆柱振荡器形式定子的压电式电机，所述空心圆柱振荡器的至少一个前侧面与转子摩擦接触，并且所述空心圆柱振荡器包括驻波发生器，其特征在于所述发生器在所述空心圆柱振荡器中产生耦合切向-轴向振动，其中两个分量具有相同的相位或者相位差为180°，所述切向振动速度最大值位于所述前侧面，并且所述轴向振动速度最大值位于同一个前侧面的下面，其中所述振动速度朝着所述空心圆柱高度的一半减小，使得用于所述转子的动力驱动能量集中在所述空心圆柱的前侧面的附近，其中，所述电机机械附件被进一步安放或提供在所述分量值的零线的中间部分。
4.根据权利要求3的压电式电机，其特征在于，所述空心圆柱振荡器是整体式压电体，所述压电体的一个表面区域上提供一个或多个电极，所述压电体的另一个表面区域上提供公共参考电极，二者与放置在其间的压电陶瓷一起构成驻波的形成发生器。
5.根据权利要求3的压电式电机，其特征在于，所述空心圆柱振荡器是整体式非压电体，其中所述发生器被构造为通过相应电极刚性连接到所述空心圆柱的压电元件。
6.根据权利要求3到5中任一项的压电式电机，其特征在于，所述振荡器包括两个空间移位四分之一波长的驻波发生器，所述驻波发生器的电激励具有正交的相位，由此在所述振荡器中产生行波，并且所述转子具有与所述行波相反的运动方向。
7.根据权利要求3到5中任一项的压电式电机，其特征在于，所述振荡器包括三个空间移位三分之一波长的驻波发生器，所述驻波发生器的电激励具有120°的相移，由此在所述振荡器中产生行波，并且所述转子具有与所述行波相反的运动方向。
8.根据权利要求3的压电式电机，其特征在于，所述振荡器包括至少一组彼此移位二分之一波长的声驻波的、且连接到电激励源的相似发生器，其中选取振荡器高度，使得与所述切向-轴向模式同时地激励纵向模式，其中这两种模式的叠加导致位于所述空心圆柱前侧面上的点进行椭圆形或直线形的运动。
9.根据权利要求3到8中任一项的压电式电机，其特征在于，所述空心圆柱振荡器本体在其前内侧具有圆锥状外形，从而以自动定心的方式引导和安装所述转子，所述转子在其各端具有反圆锥状的外形部分。
10.根据权利要求3到8中任一项的压电式电机，其特征在于，所述驻波发生器是由对应于所述振荡器谐振频率的频率来激励的，并且在所述频率上形成所述耦合切向-轴向振动模式的驻波。
11.根据权利要求3到8中任一项的压电式电机，其特征在于，所述定子的机械附件被安装或提供在平行于所述前侧面延伸的波节线上所述空心圆柱的中间部分中。
全文摘要
本发明涉及定子为空心圆柱振荡器形式的压电式电机的操作方法，定子至少有一个前侧面与转子摩擦接触，并且包括驻波发生器。根据本发明，空心圆柱被设定为耦合的切向－轴向振动模式，使得圆柱主要有切向和轴向的振动分量，切向分量的振动速度最大值是在空心圆柱的前侧面上形成的，轴向分量的振动速度最大值是直接在其下方形成的，其中分量朝着圆柱高度中心方向减小并且波节线是在圆柱高度中心大体平行于前侧面地形成，在这条波节线上轴向振动分量取值为零并且切向分量取最小值。由于电机以这种方法操作，转子的动力驱动能量就集中在空心圆柱的前侧面附近，其中电机的机械附件能够被安装在振动速度分量的零值线的中间部分。
文档编号H01L41/09GK1736019SQ200380108542
公开日2006年2月15日 申请日期2003年12月11日 优先权日2003年1月8日
发明者奥莱克茜·维什涅夫斯基, 弗拉迪米尔·维什涅夫斯基 申请人:物理设备(Pi)两合公司