专利名称：压电电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电装置，具体涉及压电电动机。
本发明可用作无减速装置的电动机，进行连续或不连续(步进式)的转动。这些电动机可用在自动化系统的执行机构中代替电磁铁，也可作为录音机、电唱机、电影摄影设备的基本驱动装置。
公知的压电电动机包括定子和与定子摩擦配合的转子。定子有外壳和装在外壳上径向振动的压电振动器。压电振动器包括与转子同轴安装的带电极的园盘状压电元件(该园盘被这些电极垂直极化)以及至少两个顶杆，每个顶杆的一端固定在压电元件的园柱面上，另一端顶在转子上。
在这种压电电动机中，当需要改变它的标称旋转频率时，必须改变压电元件的直径。这样就不可能制造通用的、可用于压电电动机转子任何旋转频率的压电元件。因此，对于给定的压电元件，转子的旋转频率范围是有限的。
此外，固定顶杆的牢固程度随压电元件的增厚而增强，这限制了降低消耗功率的(例如照相机光圈用的压电电动机在空载时的所需功率)的可能性。
本发明的目的是制造一种对于给定的压电元件提供扩大转子旋转频率范围的压电电动机。
本发明的另一个目的是制造一种保证扩大其消耗功率范围的压电电动机。
提出的问题是这样解决的压电电动机具有定子和与定子摩擦配合的转子，定子有外壳和装在外壳上的径向振动压电振动器，振动器包括与转子同轴安装的带电极的园盘状压电元件(园盘被这些电极垂直极化)，至少有两个顶杆，每个顶杆其一端固定在压电元件上，而另一端顶在转子上。按照本发明，每个顶杆的一端以最小程度固定在压电元件的一个平面上，使压电元件与顶杆之间留有间隙。
本发明可以制造一系列消耗功率范围较宽的压电电动机。
本发明也可以制造使用规格化压电元件，而且转子旋转频率范围和消耗功率范围宽的压电电动机。本发明可降低压电电动机的价格，因此可用它代替电磁铁作为执行装置，也可减少制造压电电动机的工作量。
下面以具体实例及附图阐述本发明，其中
图1是按照发明带有园柱形转子的压电电动机的纵剖面图，该转子包着紧靠着它的顶杆;
图2表示本发明的压电电动机沿图1Ⅱ-Ⅱ线切开的剖面图;
图3a、3b、3c表示本发明的带有被顶杆包住转子的压电电动机的压电元件和固定在压电元件的顶杆;
图3d、3e、3g表示本发明的带有在顶杆之间配置转子的压电电动机的压电元件和固定在压电元件的顶杆;
图4表示本发明带有固定在压电元件的两个平面上的顶杆的压电电动机示意图，其转子被顶杆包住;
图5表示用于执行装置的本发明的低速压电电动机的剖面图;
图6表示以接触法接通压电元件的本发明的高速压电电动机的剖面图;
图7表示带有无孔园盘状压电元件的本发明的压电电动机的剖面图。
参见图1，压电电动机包括定子1和用以接通交流电压的引线2(图上未示出)。定子1对于安装它的制件(图中未示出)来说，是压电电动机的固定部分。压电电动机的转子3装在定子1上，可在轴承4内转动，并用可卸接头5，例如锁定垫圈，固定在它上面，以防其沿自己的轴向移动。
压电电动机的定子1包括径向振动的压电振动器6，它与定子1的外壳7是声绝缘的，并固定在外壳7上。外壳7用来防止径向振动的压电振动器6受到损坏，也是为了使压电电动机能通过支撑孔8固定在制件上。
径向振动的压电振动器6是电机械装置，用来把电能转换成压电振动器6固体粒子的振动，这种振动主要在旋转体形状的压电元件的径向上。压电元件是径向振动压电振动器6的有源部分。
径向振动压电振动器6的无源部分与有源部分不同，它不能把能量从一种形式转换成另一种形式。顶杆10以及使它压电元件9连接的导声体11属于径向振动压电振动器6的无源部分。在该径向振动器6中有四个顶杆10。如消除转子3对定子1的作用力，顶杆10最少要用两个。当顶杆10的数目等于2和大于2时(均匀设置)，从每个顶杆10作用于转子3的合力近似等于零。在这种情况下，顶杆10越多，转子3的转动力矩越大，这时必须同时增大压电电动机的供电电压，这就限制顶杆10的数量为32以下。每个顶杆以最小程度固定其一端在压电元件9的一个平面上，而另一端顶在转子3上。
每个顶杆10都用有弹性的导声材料，例如钢或者胶木做成，形如平板片。通常每个顶杆10都做成矩形。顶杆10的形状容许改变，例如把它们做成向非固定端逐渐变窄的形状，或使它们带有凸部，用以固定径向振动压电振动器6，或固定顶杆10。这时，压电电动机的参数不会变坏。
顶杆10是靠本身的弹性紧压在转子3上的。因此，把转子3安装到定子1上时，要把顶杆10的未端折弯。但是，要使顶杆10紧压在转子3上，也可以在轴线方向上对转子3施力，例如，利用转子3本身的重量或者使用电磁铁、板簧或螺旋弹簧(图1未示出)。把顶杆10与压电元件9连接起来的导声体11，是硬化了的焊料或有机硬物(例如聚合后的环氧树脂)。
为了在压电振动器6中产生径向振动，压电元件9做成园盘状，在园盘12的平面上有电极13。园盘表面是一层薄的金属复盖物，其形成的方法是在真空中喷涂金属、烧渗银或使金属在化学溶液中沉淀。电源电压(图1中电源未画出)通过引线2送到电极13上，引线2焊接在电极13上，如图1所示，或者用接触法与电极相连。顶杆10未被连接到导声体11遮盖的部分，而是固定在压电元件9的平面上，间隙大小应足以保证组装压电电动机时顶杆10不会与压电元件8的电极13相接触。例如，如果装配时有十个压电电动机，其中有一个电动机的顶杆10碰到了电极13，那就应当改变这种电动机的结构，把间隙14的数值增大一倍。园盘12是用具有压电特性的多晶材料制成的。为了使多晶材料中显现压电特性，要制造剩余极化，得到剩余极化的过程也叫材料的极化。压电电动机的压电元件9的材料宜使用锆酸铅的钛酸盐固溶体作基体。
电极13是使材料极化所必需的。在这两个电极上加上极化电压。这时，压电元件9的极化方向与极化场强矢量相等，即垂直于电极13的表面。为了在径向振动压电振动器6的压电元件中得到压电电动机工作频率的径向振动，宜于使压电元件9的最大直径D1，或者直径差D1-D等于径向声振动波长λ的一半，这里D为园盘12的孔直径。为此使用公式(λ)/2 ≈ (N)/(f)式中f为径向振动的谐振频率;N当压电元件9材料的频率常数，它与该材料中的声速有关。
压电电动机的转子3包括三部分。第一部分-摩擦部分15，它是具有园柱面或者园锥面的环，与顶杆10摩擦配合。摩擦部分15应该用表面粗糙度最低的耐磨材料制成，以减少顶杆10的磨损。对于工作寿命很长的压电电动机，其摩擦部分用氧化铝为基体的矿物陶瓷，或热固性的塑料例如胶木做成。摩擦部分15不动地固定在压电电动机转子3的第二部分-套筒16上。在套筒16里安装着压电电动机转子3的第三部分-转轴17。转轴17能在轴承4里转动，在轴向上利用紧压住它的可卸接头5加以固定。对于工作寿命不是决定性参数的压电电动机来说，转子3的所有三个部分或者任何两个部分的组合，用整块的材料例如钢制成。
径向振动压电振动器6相对于外壳7借助外壳7上的凹槽18固定，顶杆10的末端紧顶在凹槽里。只要径向振动压电振动器6与外壳7保持声绝缘，使用其它方法，例如用弹性胶固定径向振动压电振动器，并不改变本发明的实质。在本文阐述的压电电动机里，径向振动压电振动器6与外壳7之间的声绝缘是靠橡皮做的垫圈19来实现的。 了提高压电电动机的工作寿命，顶杆10利用橡皮做的阻尼器20减振。制作阻尼器20的材料以液态(聚合反应前)水滴状滴到顶杆10上，包住顶杆10，再沿电极13的表面流开，此后该材料发生聚合反应。
图2示出按图1中Ⅱ-Ⅱ线横切的压电电动机顶视图。角α(图2)由两条切线构成，一条切线是由顶杆10与摩擦部分15的接触点所作的顶杆表面的切线，另一条是通过该接触点所作的摩擦部分15的切线。如果每α值小于45°，则效率下降。如果角α值大于85°，转子3的转动力矩减小，这也将导致效率下降。角α应该小于90°，处在85°至45°范围内。转子3的旋转频率ω和转动力矩M与角α的关系如下ω～ 1/(cosα) (2)M～cosα(3)角β是由在顶杆10的固定点所作的顶杆10表面的切线和经顶杆10的固定端与转子3的转轴的直线构成，它很少影响转子3的旋转频率ω及转动力矩M。
在图3a、3b、3c、3d、3e、3g示出压电元件当固定在它上面的顶杆10的固定端与园盘12中心距离不同的各种情况，顶杆10的中线相对园盘12中线的偏移量h大于园盘12的厚度，这可使顶杆10作径向位移。在这种情况下，可把顶杆10固定在园盘12的边缘上，如图3a、3b、3c、3g所示，也可固定在园盘12的中央部分，如图3b、3e所示。这样固定顶杆10，无论对转子3包住顶杆10的低速压电电动机的径向振动压电振动器6(图3a、3b、3c)，或者对转子3位于顶杆10中间的高速压电电动机的径向振动压电振动器6(图3d、3e、3g)都是可行的。当顶杆10的固定点偏移时，以及顶杆10的长度改变时，可以改变转子的直径，从而对于某种规格的压电元件9来说，扩展压电电动机转子3的旋转频率范围。在这种情况下，如果顶杆10明显超出压电元件9的边沿，可用橡皮套管状的阻尼器20套在顶杆末端实现其阻尼，如图3a或3g所示。
图4示出顶杆10固定在压电元件9的两个表平面上的压电电动机。这相当于把两个按虚线分割的同样的径向振动器连接在一起。顶杆10固定在压电元件9的两个表面上，用来增加径向振动压电振动器6的体积，以此增大压电电动机的轴上功率。
图5示出完成电磁铁功能的低速压电电动机的实例。这里，借助凹槽18及带有放在顶杆之间的凸缘21的花纹垫19固定径向振动压电振动器6。外壳7的可拆卸部分22(即轴承)依靠形似螺帽的可拆卸接头5把凸缘21紧压到压电元件9上，固定住径向振动压电振动器6的角度位置。合置在一个零件里的套筒16及轴17，象外壳7的零件一样，是用塑料压铸成的。这就有可能在套筒16上同时安排齿轮的齿23，和使旋转运动转换成直线运动的偏心凸轮24以及与接触对26相互作用的侧面凸缘25。侧面凸缘与接触对26组成转子3的状态传感器。
转子3位于顶杆10之间的高速压电电动机的实例示于图6。这里，外壳7从两边包有敷金属的胶木平板27和金属盖子28。金属盖通过弹性导电材料做的衬垫19，并通过顶杆10与压电元件9的一个电极13有电连接。另一个电极13是用接触方式压在平板27的金属化表面的。平板27金属化表面上的引线2用以使电压接入压电电动机，这时，金属化表面通过焊接与盖子28有电连接。
图7示出压电元件9形似无孔园盘12的压电电动机。这里，盖子28借助凸缘与外壳7的平板27连接。盖子28上的凹槽18从径向固定住径向振动压电振动器6。在轴向上，径向振动压电振动器6依靠形似橡皮圈的垫圈19固定。为了固定转子3，防止轴向移动，转子3的轴17有环形沟槽，盖子28的环形凸缘30正嵌入其中。
本文提出的压电电动机工作如下外部交流电源的电压通过引线2馈送到压电元件9的电极上(外电源频率应等于或接近于径向振动压电振动器6(图1)的纵的径向振动谐振频率之一)，在压电元件里激励起纵的径向振动。这些振动通过声导体11传给顶杆10。顶杆10在压电元件9的表面上发生移位，因此，在顶杆10与压电元件9的固定点处，纵向声振动先转换为横向声振动;受到顶杆10末端的反射时，横向振动重新转换成纵向振动，在顶杆10里传播起来。这些纵向振动相对于压电元件9中的纵向振动偏移h值(图3a)。这时已经转换的部分声能仍然是横向振动能量，但是大部分声能成了纵向振动能量。选择交流电压源的频率，使之接近于纵向振动的谐振频率，可消除横向振动对压电电动机的影响。在顶杆10与转子3的接触区域内，由于角α小于90°，会产生相对于转子3的切向力，使转子在轴承4中转动。这个力经过套筒16传给轴17。如果压电电动机没有固定住，则定子1和转子3将会反方向运动。为了使定子1不转动，它通过孔8被固定在制件上。转子3中可能产生的力依靠转子3轴线方向上固定轴17的元件，特别要依靠可拆卸的接头5来均衡。因切向力而产生的转子3的转动力矩将使外壳7内的径向振动压电振动器6旋转，但这将受到凹槽18的阻挡。在顶杆10与转子3接触的区域内，除了切向力以外，还产生交变力，在顶杆10中激励起次谐波式弯曲振动，即频率低于压电电动机电源电压频率的振动。阻尼器20对阻尼弯曲振动作用很大，因为顶杆弯曲的柔韧性与阻尼器20的弹性是可比的。因此，阻尼器20没有对顶杆10的纵向振动造成妨碍，却可消除对压电电动机寿命有负作用且能加强噪声的次谐波的自激。当顶杆10与电极13接触时，顶杆10即与压电元件9发生断续接触，顶杆10中的纵向振动变得不稳定，并产生导致效率急剧下降的寄生次谐波振动。为了消除这个现象，顶杆10安装时，要留出相对于压电元件9表面的间隙14。选择间隙14的大小时，要使得在撞击和振动负载作用下以及在温度的影响下，顶杆10与压电元件9的表面没有机械接触。通常间隙14取在0.2毫米至0.3毫米范围内，并随着径向振动压电振动器6的尺寸加大而增加。如果该间隙14值小于0.2毫米，则压电电动机受到外界振动负载作用时，顶杆10及压电元件9之间会有机械接触，这会使噪声增强。如果该间隙14值大于0.3毫米，则效率就会下降。
如果顶杆10的固定点沿着半径从压电元件的一端移向另一端，顶杆10中纵向振动的激励机理不变。这时，如顶杆10绕固定点旋转180°，纵向振动的相位改变，但这不影响，例如，压电电动机的效率，如果顶杆10装在压电元件9的两面(图4)，压电电动机的工作不变。顶杆10装在压电元件9的两个平面上，压电元件9的体积可增大到两倍，并由此增大压电电动机的功率，与此同时，将扩大其消耗功率的范围。
顶杆10固定在压电元件9的一个平面上，有可能改变转子3的直径，而不必大范围地改变压电元件9的尺寸。这就有可能展宽使用给定压电元件9的压电电动机转子3的旋转频率范围。在这种情况下，顶杆10与压电元件9连接的牢固性与压电元件9的厚度无关，从而压电元件9的厚度可取随意小的值。由此可大大降低供电电压和压电电动机的消耗功率，扩大压电电动机消耗功率的范围，从而扩大它的应用领域。安装顶杆10时，留出相对于压电元件9的间隙14，可保障压电电动机的工作能力，消除噪声并避免效率下降，从而确保扩大转子3的旋转频率范围和扩大压电电动机的功率范围。
做成带有包住顶杆10的外部转子3的压电电动机(图5)，可以得到相当大的转动力矩，该力矩将借助偏心凸轮24转换成纵向力。这种电动机是力矩式压电电动机，它们装有侧凸缘25这样的末端开关，与接触对26相互作用。这种电动机可用来代替电磁铁。装有齿23的压电电动机可用作低速传动装置。
在走带机构中常使用高速压电电动机。在这种电动机中，通过盖子28(图6)和垫圈19，并依靠电极13与平板27的敷金属层的直接接触进行导电。
压电元件9呈无孔园盘12状的压电电动机(图7)可以用在儿童玩具中。由于有凸缘29的盖子28的形状便于迅速组装定子1和转子3，也由于环状沟槽及环状凸缘30能沿轴线方向固定转子3，使得电动机的结构很简单。
因此，本发明在压电元件9给定时，可扩大转子3的旋转频率范围，并可扩大压电电动机的消耗功率范围。
权利要求
压电电动机包括定子1和与定子1摩擦配合的转子3。定子有外壳7，在外壳7上装有径向振动的压电振动器6。压电振动器包括与转子同轴安装的圆盘12状的压电元件9和电极13，压电元件被电极13垂直极化，还至少有两个顶杆10，每个顶杆的一端都固定在压电元件9上，而另一端顶在转子3上，其特点在于每个顶杆10的一端以最小程度固定在压电元件9的一个平面上，使压电元件9与顶杆10之间留有间隙14。
全文摘要
压电电动机包括定子1和转子3。定子1有外壳7和装在外壳7上的径向振动压电振动器6。振动器包括带电极13的压电元件9，和至少两个顶杆10。每个顶杆10的一端以最小程度固定在压电元件9的一个平面上，使压电元件9和顶杆10之间留有间隙14，每个顶杆10的另一端顶在转子3上。
文档编号H02N2/00GK1031163SQ87105379
公开日1989年2月15日 申请日期1987年8月5日 优先权日1987年8月5日
发明者弗拉迪米尔·S·维什涅夫斯基, 夫雅切斯拉夫V·拉夫列能科 申请人:十月革命50周年基辅工业大学