專利名稱：行波電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種行波電機(jī)，例如利用超聲振動(dòng)、含有產(chǎn)生行波的機(jī)電傳感器和行波驅(qū)動(dòng)的可動(dòng)部件的小型超聲電機(jī)。
一個(gè)公知的超聲電機(jī)是利用Langevin振動(dòng)子作為驅(qū)動(dòng)源的駐波型電機(jī)。在US-A-4，019，073專利文獻(xiàn)中公開了這樣的電機(jī)。另一種公知的超聲電機(jī)是行波型電機(jī)，它利用定子上產(chǎn)生的行波來驅(qū)動(dòng)安裝在定子上的轉(zhuǎn)子。行波電機(jī)在定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦傳輸表面上產(chǎn)生較小的損耗，并且與駐波型電機(jī)相比能較容易地在相反于旋轉(zhuǎn)方向上驅(qū)動(dòng)。在US-A-4，513，219(Katsuma等)、US-A-4，562，374(Sashida)和EP-A-169，297(Tokushima)的專利文獻(xiàn)中公開了這種類型的行波電機(jī)。
圖2是行波電機(jī)中行波發(fā)生原理的一個(gè)例子。標(biāo)號201表示壓電陶瓷、壓電晶體組成的壓電傳感器，它在寬度為b的相等的間隔上被極化，相鄰極化彼此相反，如圖示方向。在每個(gè)壓電傳感器上通過蒸發(fā)或者鍍上諸如銀、鎳之類的導(dǎo)電材料形成電極202，用每一根上加有來自不同信號源的高頻電壓的信號線203、204將這些電極連接起來。此外，在各自用信號線203、204連接的電極組之間提供寬度為c的空隙。在這種情況下，寬度為c的空隙沒有極化和電極。這里，為了說明方便起見，跨在寬度c上的電極的中心之間的距離用a表示。行波發(fā)生的機(jī)理將參考圖2和圖上給出的參考符號進(jìn)行說明。取電極部分的中點(diǎn)作參考，可用下列方程式表示含有行波和反向波的彎曲振動(dòng)波。
Asin(ωt-Kx)+Asin(ωt+Kx)……(1)這里，(a)表示所謂的駐波。那么，在電極部分上的彎曲振動(dòng)波可表示如下Bsin〔ωt-K(x+a)+φ〕+Bsin〔ωt+K(x+a)+φ〕……(2)式中K＝ω/ν＝2π/λλ波長，φ相差角度在方程式(2)中，-Ka+φ＝απ……(3)Ka+φ＝βπ則方程式(2)可表示如下Bsin(ωt-Kx+απ)+Bsin(ωt+Kx+βπ)……(4)因此，由(1)、(2)激勵(lì)的彎曲振動(dòng)波可以采用使方程式(1)和(4)放在一起的形式來表示。這時(shí)若從方程式(4)推導(dǎo)研究僅有行波的條件，不用說，在α是偶數(shù)和β是奇數(shù)的情況下，它就會出現(xiàn)。這時(shí)，用α和β方程式表示的a和φ根據(jù)方程式(3)可以給出如下a＝ (λ)/4 (β-α) ……(5)φ＝ (π)/2 (α+β)因此，當(dāng)(α，β)＝(0，1)，(2，3)時(shí)，a (λ)/4 ，φ＝ (π)/2 ，當(dāng)(α，β)＝(2，1)時(shí)，a＝ (-λ)/4 ，φ＝ 3/2 π，當(dāng)(α，β)＝(0，3)時(shí)，a＝ 3/4 λ，φ＝ 3/2 ，這樣，當(dāng)a和φ各自同時(shí)滿足條件時(shí)，就出現(xiàn)唯一的行波分量。例如，若研究a＝ 3/4 λ，b＝ (λ)/2 和φ＝ 3/2 π時(shí)的情形，此時(shí)，方程式(1)+方程式(2)將是Asin(ωt-Kx)+Asin(ωt+Kx)+Bsin(ωt-Kx)-Bsin(ωt+Kx)……(6)這時(shí)，若驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的高頻電壓信號的幅度A和B是A＝B，那么，方程式(6)將為2Asin(ωt-Kx)，不用說，只剩下行波分量。
此外，對于反向驅(qū)動(dòng)，只要留下反的波分量，所以，方程式(5)中的α和β將顛倒過來，這樣，α和β分別為奇數(shù)和偶數(shù)。當(dāng)以(1)為基準(zhǔn)從實(shí)際出發(fā)研究時(shí)，加給(2)的信號的相位與正向驅(qū)動(dòng)的情形比較要移相180°。
圖3是行波電機(jī)按照行波分量轉(zhuǎn)動(dòng)的原理。標(biāo)號301表示振動(dòng)子部件，當(dāng)壓電振動(dòng)子連接到彈性件上時(shí)，該振動(dòng)子部件可產(chǎn)生彎曲振動(dòng)?，F(xiàn)在根據(jù)圖2所示原理產(chǎn)生向右的行波時(shí)，振動(dòng)子部件301表面上的一點(diǎn)畫出向左的橢園軌跡，所以轉(zhuǎn)子部件302在行波前進(jìn)方向相反的方向上運(yùn)動(dòng)。上面所講的在NIKKEIMECHANICAL雜志(1985年9月23日)和其它文章中已有報(bào)道，其上也給出了有關(guān)振動(dòng)子部件301表面上一點(diǎn)畫出橢園軌跡的詳細(xì)描述。
Katsuma等人和Sashida公開了應(yīng)用Ling型壓電零件的行波電機(jī)。圖4示出了此類行波電機(jī)的一個(gè)例子。此類行波電機(jī)實(shí)質(zhì)上由環(huán)行振動(dòng)體403和其上安裝的可動(dòng)體405組成。振動(dòng)體在其上有一個(gè)環(huán)形壓電振動(dòng)子404。振動(dòng)體403通過支撐機(jī)構(gòu)406固定在機(jī)座402上。在環(huán)形壓電振動(dòng)子上，在兩個(gè)電極組之間提供長度為電極弧長一半的氣隙。將90°相差的交流信號加到兩電極組上，就產(chǎn)生行波。另一種類型應(yīng)用盤形壓電零件的行波電機(jī)在Tokushima的歐洲專利上公開了。圖5表示此類行波電機(jī)。在該圖中，定子是用帶有齒狀環(huán)形凸塊的盤形彈性振動(dòng)體503構(gòu)成。振動(dòng)體503在其上有一個(gè)盤形壓電振動(dòng)子504?？蓜?dòng)體505安裝在振動(dòng)體的凸塊上，并有一個(gè)用作轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向器的中心軸。在中心軸上裝有調(diào)壓裝置，以在振動(dòng)體和可動(dòng)體之間產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕佑|壓力，使得行波分量能有效地傳到可動(dòng)體上。振動(dòng)體支撐并固定在基座上構(gòu)成的兩個(gè)環(huán)形凸塊上。盤形壓電振動(dòng)子由許多電極組成，電極配置的方式如圖6所示。在相等的間隔上分開的電極圖樣601a設(shè)置在壓電振動(dòng)子一側(cè)平面的差不多半園部分上，在相等的間隔上同樣分開的電極圖樣601d通過空白區(qū)域601b和601c設(shè)置在其余差不多半園部分上，601b為向左在0.5間距上，601c在相對的端部為1.5間距。壓電振動(dòng)子被極化，使得相鄰的電極圖樣處于相反的方向。
對于本情況下的裝配，如幾乎半園的金屬板導(dǎo)電地連接在每個(gè)幾乎半園的電氣上同極的電極區(qū)段，并且將相位差90°的信號經(jīng)兩根引線加在其上，由此產(chǎn)生行波。
在上述類型的行波電機(jī)中，如果它的結(jié)構(gòu)包含環(huán)形振動(dòng)體，因?yàn)閴弘娬駝?dòng)子激勵(lì)出的彈性模式的行波沒有振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，由于所提供的支撐結(jié)構(gòu)，行波被大大地阻尼到一定程度。由于這個(gè)原因，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率是低的。
如果行波電機(jī)的結(jié)構(gòu)包含盤形振動(dòng)體，其優(yōu)點(diǎn)是振動(dòng)體可在基座的徑向方向上在兩處受到基座的固定和支撐，這是因?yàn)檎駝?dòng)體沿振動(dòng)體徑向被激勵(lì)在副振動(dòng)模式。在本發(fā)明任務(wù)的薄和小尺寸行波電機(jī)的情況下，按照節(jié)點(diǎn)位置的散布，支撐區(qū)域和力的大小，效率的惡化也是完全不可避免的，同時(shí)，因?yàn)橐?lì)在副振動(dòng)模式上驅(qū)動(dòng)頻率超過100千赫，可能導(dǎo)致電路效率的惡化。
如果利用有圖6所示的電極圖樣的壓電元件，在一個(gè)半園部分激勵(lì)出一個(gè)駐波，在其余半園部分從其中激勵(lì)出相差為90°的駐波，彼此不同的駐波相互傳播到在反面的半園部分，于是兩個(gè)駐波合成后產(chǎn)生行波，所以產(chǎn)生兩個(gè)駐波的源頭單方面地歸結(jié)于半園，因而不能激勵(lì)出均勻的行波。作為表明此現(xiàn)象的定量數(shù)據(jù)，如能夠觀察到叫做“Sprious”的一些與幅頻特性曲線上諧振點(diǎn)處的上升不同的峰值。因此電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率惡化了。
本發(fā)明的目的在于提供一種有薄和小直徑形狀的行波電機(jī)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種低電耗的行波電機(jī)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供有高機(jī)電變換效率的行波電機(jī)。
本發(fā)明的更進(jìn)一步目的在于提供用低驅(qū)動(dòng)頻率信號驅(qū)動(dòng)的行波電機(jī)。
本發(fā)明的再進(jìn)一步目的在于提供一種振動(dòng)子的振幅與已有的結(jié)構(gòu)相比有較小衰減的行波電機(jī)。
本發(fā)明的目的由利用振動(dòng)體上產(chǎn)生的彈性行波來驅(qū)動(dòng)可動(dòng)體的行波電機(jī)來完成，該行波電機(jī)包括固定行波電機(jī)的基臺，其有一個(gè)支撐裝置的基體，采用使振動(dòng)體與支撐裝置形成一體的方式來卡緊受到支撐的振動(dòng)體，一個(gè)固定在振動(dòng)體一面上并相對于振動(dòng)體徑向?qū)⑿胁?lì)在主振動(dòng)模式上的壓電振動(dòng)子，一個(gè)置于振動(dòng)體上的可動(dòng)體，一個(gè)設(shè)置在振動(dòng)體和可動(dòng)體之一上的環(huán)形凸塊以使振動(dòng)體通過該凸塊在振動(dòng)體最外面園周的里面部分與可動(dòng)部分進(jìn)行接觸，以及一個(gè)裝在可動(dòng)體上用來在可動(dòng)體和振動(dòng)體之間產(chǎn)生適當(dāng)接觸壓力的壓力調(diào)節(jié)器。上述支撐裝置可由起著可動(dòng)體旋轉(zhuǎn)中心作用的支撐軸來構(gòu)成。上述壓力調(diào)節(jié)器可固定在軸上。上述環(huán)形凸塊可設(shè)置在可動(dòng)體上。環(huán)形凸塊含有齒形的位移。可動(dòng)體在與振動(dòng)體凸塊接觸的位置上可有另一個(gè)環(huán)形凸塊?？蓜?dòng)體環(huán)形凸塊的寬度可比振動(dòng)體的窄些。在環(huán)形凸塊里面位置上的振動(dòng)體的厚度比環(huán)形凸塊外面位置上的薄些。支撐裝置可由導(dǎo)電材料做成。壓電振動(dòng)子可制成盤形并有一中心孔。壓電振動(dòng)子在其上有電極圖樣。電極圖樣含有在以4的倍數(shù)的相等間隔上分成許多隔開的電極的電極圖樣和供短路用的使得隔開的電極輪流地與短路圖樣連接以形成兩組電極的兩個(gè)短路圖樣。壓電振動(dòng)子的極化要使得形成由兩個(gè)相鄰隔開電極構(gòu)成一組的每個(gè)部分輪流地極化成正和負(fù)電位。壓電振動(dòng)子在其最外面的園周上有環(huán)形空白部分。壓電振動(dòng)子在中心孔的園周上有環(huán)形空白部分。隔開電極中的一個(gè)有標(biāo)記圖樣。


圖1是與發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)的縱向剖視圖。
圖2是行波發(fā)生的原理圖。
圖3是行波電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原理圖。
圖4和圖5是已有技術(shù)行波電機(jī)的縱向剖視圖。
圖6表示已有技術(shù)行波電機(jī)的壓電元件電極圖樣的平面圖。
圖7(a)是表示振幅測量點(diǎn)的局部剖視圖。
圖7(b)是表示振幅測量點(diǎn)與振幅之間的關(guān)系的附圖，此時(shí)振動(dòng)子零件用不銹鋼制成。
圖7(c)是表示振幅測量點(diǎn)與振幅之間的關(guān)系的附圖，此時(shí)振動(dòng)子零件用黃銅制成。
圖8(a)表示輸出引出位置的局部剖視圖。
圖8(b)是當(dāng)振動(dòng)子零件用不銹鋼制成時(shí)表示不同的輸出引出位置的說明性附圖。
圖8(c)是當(dāng)振動(dòng)子零件用黃銅制成時(shí)表示不同的輸出引出位置振動(dòng)子振幅差異的說明性附圖。
圖9表明壓電元件電極圖樣的平面圖。
圖10表明另一種壓電元件電極圖樣的平面圖。
圖11表明又一個(gè)壓電元件電極圖樣的平面圖。
圖12(a)表明壓電元件反面電極圖樣的平面圖。
圖12(b)表明另一個(gè)壓電元件電極圖樣的平面圖。
圖13表明又一個(gè)壓電元件電極圖樣的平面圖。
圖14(a)表明極化工藝之前蒸發(fā)的隔開的電極圖樣的平面圖。
圖14(b)表明極化工藝之后蒸發(fā)的隔開的電極圖樣的平面圖。
圖15是與發(fā)明有關(guān)的另一種行波電機(jī)的縱向剖視圖。
圖16(a)表明振動(dòng)子部件的平面圖。
圖16(b)表示振動(dòng)子部件的剖視圖。
圖17是與發(fā)明有關(guān)的另一種行波電機(jī)的縱向剖視圖。
圖18表示所加頻率和阻抗之間關(guān)系的圖形。
圖19是行波電機(jī)的等效電路圖。
圖20表示所加頻率和旋轉(zhuǎn)頻率之間關(guān)系的圖形。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明圖1是與發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)的縱向剖視圖。通過螺紋或者以壓入的方式使中軸1與基臺2合成一?，而撬囻动?在結(jié)構(gòu)上在中央部分與中軸合成一體。由此，振動(dòng)子本體3含有一個(gè)諸如不銹鋼、黃銅、硬鋁或其它類似物的彈性零件，并且實(shí)質(zhì)上支撐在中心部分的中軸1上。中軸1、基臺2較振動(dòng)子部件3、壓電傳感器5和其它物件有足夠高的機(jī)械諧振頻率，且其結(jié)構(gòu)要使得幾乎不會由于承載的影響出現(xiàn)振動(dòng)的漏泄(Leak)和衰減。壓電傳感器5是中心帶有孔的至少一個(gè)或多個(gè)壓電陶瓷，或者是由沿園周隔開的幾個(gè)扇形體組成的壓電陶瓷，有幾個(gè)沿園周設(shè)置電極的圖樣的壓電傳感器在反面與振動(dòng)子部件3設(shè)置輸出引出位置4的表面連接起來。中軸可由導(dǎo)電材料例如金屬來構(gòu)成。這樣，在反面設(shè)置的與振動(dòng)子本體接觸的反面電極在電氣上通過振動(dòng)子本體與中軸接觸。以中軸1作為旋轉(zhuǎn)中心的導(dǎo)向件的可動(dòng)體6要配置得以便由壓力調(diào)節(jié)簧片7實(shí)現(xiàn)與振動(dòng)子部件3上建立的輸出引出位置4的部分相接觸。在本實(shí)施例中，壓力調(diào)節(jié)簧片是板狀的，并且架設(shè)在除基臺2或與發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)之外的部分上，它的安置要使得將壓力加到在可動(dòng)體6中央部分設(shè)置的凸塊上。這樣，由壓力調(diào)節(jié)簧片7在可動(dòng)體6上產(chǎn)生的壓力為N，振動(dòng)子部件3和可動(dòng)體6之間的摩擦系數(shù)為M，從振動(dòng)子部件3的中心到輸出引出位置4的距離為a，則在可動(dòng)體6上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩T是T＝MNa左右。輸出引出位置4的設(shè)置要使得將由振動(dòng)子部件3和壓電傳感器5組成的振動(dòng)子所激勵(lì)的行波分量的極小的撓性振動(dòng)幅度高效地變換為可動(dòng)體6的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這可由振動(dòng)子部件3和可動(dòng)體6彼此接觸的凸塊，它只設(shè)置在振動(dòng)子部件3或可動(dòng)體6至少一個(gè)上的方式來達(dá)到。在本實(shí)施例中，將環(huán)形凸塊8設(shè)置在可動(dòng)體6上，以便在輸出引出位置處與振動(dòng)子本體接觸。通常，由對可動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)作出貢獻(xiàn)的行波所產(chǎn)生的橢園軌跡的分量在振動(dòng)子部件3的徑向每個(gè)位置的園周方向有速度差和相移，所以這些因素導(dǎo)致自旋分量引起對可動(dòng)體6的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生制動(dòng)。因此，最好如上述用在振動(dòng)子部件3或可動(dòng)體6的一部分上沿徑向設(shè)置輸出引出位置的方式引出撓性振動(dòng)。其中，本發(fā)明最大的特征在于輸出引出位置4。也就是說，相對于小的尺寸和低功耗的范圍內(nèi)，與發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)是小結(jié)構(gòu)的，所以振動(dòng)子的機(jī)械諧振頻率不可避免地變高。一般說，超過100千赫的頻率最終導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路效率的惡化，所以如振動(dòng)子存在的波的數(shù)量是2到4，那一定是由主振動(dòng)模式沿徑向激勵(lì)的。當(dāng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)頻率的工作實(shí)際上所激勵(lì)的是主振動(dòng)模式時(shí)，振幅隨接近外徑而大起來，并在最外的園周上達(dá)最大值。因此，可以想象將輸出引出位置安置在振動(dòng)子的最外的園周上，在此，可動(dòng)體6可與其進(jìn)行接觸，但若可動(dòng)體6在振幅最大位置實(shí)現(xiàn)接觸，振動(dòng)子的總振幅實(shí)際上將衰減到極限值，這樣唯一獲得的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)充其量也不過是轉(zhuǎn)矩弱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。也就是說，由壓力調(diào)節(jié)簧片7產(chǎn)生的壓力不能設(shè)定得太高，且電機(jī)效率會呈現(xiàn)低值。于是將輸出引出位置4設(shè)置得越靠近內(nèi)園周，振動(dòng)子上產(chǎn)生的振幅衰減得就越少。但如將輸出引出位置4有意地設(shè)置在中軸上，這時(shí)由于在這部分上的振幅本身是小的，也只能產(chǎn)生弱旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，如果振動(dòng)子部件3的半徑取為r，存在著相應(yīng)于從中心到輸出引出位置4的距離a的最佳值。當(dāng)振動(dòng)子的半徑為5毫米，厚度為1毫米或更小的情況下，該值隨中軸1的直徑而變化，從電機(jī)的效率考慮，最好將a設(shè)定在大約 2/5 r≤a≤ 4/5 r的區(qū)間內(nèi)。詳細(xì)的敘述在下文給出。
如上所述，當(dāng)激勵(lì)在驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)，振動(dòng)子部件3和壓電傳感器5進(jìn)入徑向主振動(dòng)。為了較高的電機(jī)效率，希望將用作摩擦驅(qū)動(dòng)可動(dòng)體6的輸出引出位置4設(shè)置在振動(dòng)子部件3的里面部分，而不是在其最外面的園周上，在本實(shí)施例中將用作輸出引出位置4的凸塊置于可動(dòng)體6的一側(cè)，且可動(dòng)體6的直徑小于振動(dòng)子部件3的外徑，實(shí)際上其以大于a為條件。
圖7(a)至7(c)指出與本發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)的徑向特性，其中(a)是與本發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)的局部縱向剖視圖，表示沿徑向每個(gè)不同位置A、B和C上振幅測量的部位。由于本發(fā)明的行波電機(jī)是薄和小尺寸的，且不能忽略接觸型位移計(jì)自身重量的影響，而采用光學(xué)非接觸型位移計(jì)作為振幅實(shí)際的測量手段。圖7(b)和(c)是由于在振動(dòng)子部件3和壓電傳感器5上激勵(lì)的行波在A、B和C的每個(gè)徑向點(diǎn)所測得的振幅圖。所獲得的曲線的條件是沿園周方向激勵(lì)的波數(shù)為3，振動(dòng)子部件3和壓電傳感器5的外徑和厚度分別為10毫米和0.3毫米以及按兩種方式加3伏0-峰和10伏0-峰的振蕩電壓。其中(b)表示的是振動(dòng)子3為不銹鋼材料，徑向主機(jī)械諧振頻率為45千赫左右的情形，而(c)表示的是振動(dòng)子部件3為黃銅材料，徑向主機(jī)械沿振頻率為39.5千赫左右的情形。將圖7(b)和(c)進(jìn)行比較可知，徑向位移的分布一般隨著接近外園周而變得大起來，并且在最外面的園周上達(dá)最大值。
圖8(a)至8(c)表示由于輸出引出位置的不同振動(dòng)子振幅上的差異，說明由于振動(dòng)子部件和可動(dòng)體彼此接觸位置的不同，振動(dòng)子部件振幅的差異。與圖7(a)的情況相同，圖8(a)是與本發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)的局部縱向剖視圖。由于作為輸出引出位置的A、B和C部分沿徑向位置上的不同，以及可動(dòng)體實(shí)質(zhì)上只在A、B和C位置上與振動(dòng)子部件3接觸，這里將測量振動(dòng)子的每個(gè)頻率特性。也就是說，與A、B和C的每個(gè)位置接觸的帶形凸塊設(shè)置在可動(dòng)體上，每個(gè)可動(dòng)體依次重新安裝在振動(dòng)子部件3上，由此比較振動(dòng)子振幅的衰減。此外，本情況可動(dòng)體的自身重量是0.3克。壓電傳感器5由兩個(gè)電路構(gòu)成，測量振動(dòng)子振幅頻率特性的方法包含這樣的技術(shù)，其周期電壓在一個(gè)電路上掃掠引燃，從而使振動(dòng)子受到駐波激勵(lì)，根據(jù)壓電效應(yīng)在另一電路側(cè)上產(chǎn)生的反向的電動(dòng)力由頻譜分析儀進(jìn)行富里哀變換。圖8(b)和(c)用圖表示出振動(dòng)子機(jī)械諧振點(diǎn)附近的振幅衰減模式，實(shí)際上是通過前面提到的技術(shù)，采用依次重新安裝可動(dòng)體只與A、B和C的每個(gè)位置相接觸的方法得到的。在本情況中的振動(dòng)子部件3和壓電傳感器5的結(jié)構(gòu)和圖7的相同，所加的電壓為5伏0-峰。此外，(b)代表振動(dòng)子部件(3)是不銹鋼材料的情形，(c)表示它是黃銅材料的情形。與圖7的情形一樣，由圖8(b)和(c)的比較可以得知B是在諧振點(diǎn)處的最大振幅比A小，而C比B小，與材料無關(guān)。這就是說，隨著可動(dòng)體接觸振動(dòng)子部件的位置愈接近外園周部分，衰減就愈增大。此外，在附圖上的特性E表示在其上沒有安裝可動(dòng)體的受試驗(yàn)的振動(dòng)子的頻率特性曲線，不用說，該曲線代表最大振幅。而且，只要裝上重量為0.3克左右的可動(dòng)體，A與E沒有可觀察到的差別，可動(dòng)體接觸在位置A也可得到振動(dòng)子幾乎為自由狀態(tài)中的振幅。
現(xiàn)在綜合圖7和圖8的結(jié)果，當(dāng)與本發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)按驅(qū)動(dòng)頻率工作沿徑向激勵(lì)在主振動(dòng)模式時(shí)，隨著它接近外園周，振幅就增大，但當(dāng)可動(dòng)體配置得只與外園周部分接觸時(shí)則相反，振幅衰減就增大，這是缺點(diǎn)。因此，可以說最佳值取決于可動(dòng)體和振動(dòng)子部件接觸處的輸出引出位置?？紤]到由于將該值設(shè)置在最外面的園周上衰減變得過大，相反，當(dāng)它設(shè)置在最里面的園周上時(shí)最小，同時(shí)考慮到如果沒有從中心到半徑r的約 1/5 部分支撐在作為電機(jī)結(jié)構(gòu)的中軸1上，不當(dāng)?shù)妮敵鲆鑫恢每梢鹂朔蓜?dòng)體所加壓力的增強(qiáng)，最好將振動(dòng)子到可動(dòng)體的輸出引出位置設(shè)置在 2/5 r≤a≤ 4/5 r范圍內(nèi)。上述情況表明，在該區(qū)間上振動(dòng)子部件和壓電振動(dòng)子自由狀態(tài)的振動(dòng)，對將振動(dòng)子部件表面上產(chǎn)生的極小的、可變換為可動(dòng)體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的橢園振動(dòng)的衰減減至最小是有作用的。根據(jù)振動(dòng)子部件和壓電傳感器的外徑和厚度，以及可動(dòng)體的壓力差就可對輸出引出位置決定其最佳值，該值將處于 2/5 r≤a≤ 4/5 r范圍內(nèi)，這樣，甚至在與本發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)加上低電壓，也可實(shí)現(xiàn)高效和平滑的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
按照前述結(jié)構(gòu)，由于振動(dòng)子部件在徑向上利用了主振動(dòng)模式，驅(qū)動(dòng)頻率能被降低，且因?yàn)榭蓜?dòng)體受到壓力并接觸在置于振動(dòng)子部件最外面園周里面部分上的輸出引出位置上，此振動(dòng)子部件的振幅和可動(dòng)體與振動(dòng)子部件外園周最大位移部分進(jìn)行接觸的情況相比較，有較小的衰減，因而高效率地變換為可動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)一步說，將振動(dòng)子部件卡住并支撐在其中心上使得與中軸成一體，在大多數(shù)情況下甚至這樣薄和小尺寸的振動(dòng)子部件能夠穩(wěn)定和容易地被支撐住，而沒有行波衰減。
圖8和圖9是表示用作行波激勵(lì)的壓電傳感器電極圖樣的平面圖，指出了連接在與本發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)一側(cè)的壓電傳感器具體的、能實(shí)現(xiàn)行波激勵(lì)的電極圖樣。
圖9的扇形電極9a至9d設(shè)置在中央部分帶有孔的壓電振動(dòng)子5的一側(cè)，每個(gè)電極的弧長，包括相鄰電極之間的空隙，差不多為所激勵(lì)出的行波波長的 1/4 。有如圖所示作用的極化，相同信號加到9a和9c上，相移為90°的信號加到9b和9d上，從而激勵(lì)行波。如上所說，因?yàn)槊總€(gè)電極弧長為 1/4 波長，9a至9d的4部分形成一個(gè)波長。因此本實(shí)施例代表波數(shù)為3的情況。在附圖中參考附號+表示正電場在反面加到電極上給出的極化，參考符號-表示負(fù)電場在反面加到電極上給出的極化。由此，反面電極與正面電極或整個(gè)覆蓋著的電極一樣具有相同的定位和相同形狀的電極。
圖10描繪了另外一種電極圖樣，扇形電極9a至9d設(shè)置在中央部分有一個(gè)孔的壓電傳感器5的表面上，相當(dāng)于電極9a至9d弧長 1/2 左右的電極15a至15d置于電極邊界之間。所加的極化如圖所示，當(dāng)按照圖2所示的規(guī)則將相位不同的高頻電壓輸入到9a至9d的每個(gè)電極上時(shí)，將激勵(lì)出行波分量。此時(shí)可將另外一組電極15a至15d用作行波電機(jī)的頻率跟蹤和速度變化的探測，利用在振動(dòng)子部件激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)電壓的電平和相位作探測信號，當(dāng)振動(dòng)子部件激勵(lì)時(shí)所產(chǎn)生的寄生振動(dòng)極微，因而增強(qiáng)了行波分量時(shí)，該組電極也可用作驅(qū)動(dòng)。圖11是用在本發(fā)明的行波電機(jī)壓電元件上的另外一種電極圖樣，沿園周方向等間隔劃分的扇形電極圖樣9a至9d形成在中心有孔的壓電元件5的一側(cè)平面上，相鄰的兩個(gè)圖樣9a和9b在相同方向被極化，如圖所示緊接在后面的兩個(gè)圖樣9c和9d在相反方向被極化，在極化后，沿著外園周形成供短路9a和9c的電極圖樣9e，沿著內(nèi)園周形成供短路9b和9d的電極圖樣9f。對于極性，交替地配置了兩個(gè)不同的電極，即外園周短路電極和內(nèi)園周短路電極，對于極化方向，電極按每對交替地在相反方向上配置，這樣得到了4個(gè)電極。由于將相差為90°的信號同時(shí)加在外園周短路電極和內(nèi)園周短路電極上，產(chǎn)生的4個(gè)電極圖樣9a至9d形成一個(gè)波長的機(jī)械行波。
如上所述，及時(shí)地產(chǎn)生兩個(gè)相位不同的駐波的信號源沒有單方面地歸結(jié)于每個(gè)象圖4那樣的半園，而是將這些信號源彼此均勻地配置在象圖11那樣覆蓋全部園周的每個(gè) 1/4 波長上，所以產(chǎn)生了覆蓋全部園周的均勻的行波。
按照上述結(jié)構(gòu)，不管波的數(shù)目僅采用兩根引線就能產(chǎn)生機(jī)械行波，且環(huán)繞著全部壓電元件能均勻地產(chǎn)生兩個(gè)駐波，由此產(chǎn)生了均勻的行波，而觀察不到寄生波及其它的。因此提高了機(jī)電變換效率，引線數(shù)為最少，結(jié)構(gòu)簡化了，所以可有利地達(dá)到小型化和簡化生產(chǎn)過程的要求。圖12(b)表示壓電傳感器的另一種電極圖樣，其上的外園周和壓電傳感器中心孔的周圍分別設(shè)置環(huán)形空白部分16和17，以防止兩側(cè)間的泄漏電流和在加高電壓進(jìn)行蒸發(fā)極化工藝過程時(shí)由多余的電極材料產(chǎn)生的火花電流。
如果按上述設(shè)置了空白部分16和17，其反面可有完全覆蓋的電極。
如果按圖12所示將空白部分18設(shè)置在反面最外面的園周上，可不需要正面上的空白部分16。
圖13表示壓電傳感器的另外一種電極圖樣，其上外部短路電極為帶標(biāo)記的部分。標(biāo)記部分也可設(shè)置在內(nèi)部短路電極上。采用標(biāo)記部分以便在極化工藝時(shí)和在連接引線時(shí)區(qū)別每個(gè)電極所極化的方向。
圖14(a)和14(b)表示在壓電傳感器上蒸發(fā)圖13所示電極的工藝過程。在進(jìn)行圖14(a)中的極化工藝之前，采用適當(dāng)?shù)难谀?，將分隔開的電極圖樣20a至20L蒸發(fā)在壓電傳感器上，分隔開的電極圖樣20a、20c、20e、20g、20i和20k在外園周上被延長了，另一方面，其余的電極圖樣20b、20d、20f、20h、20j和20L在中心孔處被延長了。彼此對置的兩個(gè)電極圖樣20b和20h各自在內(nèi)部端點(diǎn)有較寬的一段，這是考慮到極化工藝過程后在蒸發(fā)電極時(shí)要使壓電傳感器略微旋轉(zhuǎn)。
圖樣可用作為壓電材料接觸材料的鋁電鍍膜，覆蓋在鋁電鍍膜上實(shí)現(xiàn)焊接引線的鎳膜以及覆蓋在鎳膜上以防止氧化和起導(dǎo)電作用的金膜制成。
在極化工藝過程之后，在圖14(b)上，蒸發(fā)外電極圖樣21a至21f和內(nèi)園周圖樣22a和22b，完成圖13所示的電極結(jié)構(gòu)。
圖15是表示與本發(fā)明有關(guān)的行波電機(jī)的另一實(shí)施例的縱向剖視圖。與圖1情形一樣，通過螺紋或者以壓入的方式使中軸1與基臺2合成一體，且振動(dòng)子部件3在結(jié)構(gòu)上在中央部位與中軸1合成一體，從而實(shí)現(xiàn)中心固定的支撐結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的特征在于在振動(dòng)子部件3和可動(dòng)體6進(jìn)行接觸以將行波分量變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的輸出引出位置處設(shè)置位移增大機(jī)構(gòu)4a。一般情況下，對可動(dòng)體6的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有貢獻(xiàn)的橢園軌跡的橫向速度分量的最大值Umax可表示為Umax＝-2π2fξ(T/λ)
式中f為驅(qū)動(dòng)頻率ξ為縱向振幅T為振動(dòng)子厚度λ為行波波長所以必須增大振動(dòng)子的厚度以提高旋轉(zhuǎn)頻率。由于只增加厚度，機(jī)械剛度過分地增大，諧振頻率也變高起來。因此，可行的是在振動(dòng)子部件3的帶形園周上設(shè)置凹凸不平的齒狀位移增大機(jī)構(gòu)4a。從電機(jī)效率出發(fā)，最好是將位移增大機(jī)構(gòu)4a設(shè)置在如前所述的振動(dòng)子部件3徑向位置上 2/5 r≤a≤ 4/5 r的范圍內(nèi)。而且位移增大機(jī)構(gòu)4a在結(jié)構(gòu)上可與振動(dòng)子部件3合成一體，由于這某葑垂辜枰叱殺荊越直鸕刂圃煳灰圃齟蠡 a，然后再與振動(dòng)子部件結(jié)合。在這種情況下也可用塑料堅(jiān)固地構(gòu)成位移增大機(jī)構(gòu)4a。與圖1片狀壓力調(diào)節(jié)簧片結(jié)構(gòu)不同，本實(shí)施例的給可動(dòng)體6加壓力的機(jī)構(gòu)比較緊湊，包括可裝在中軸1上的制動(dòng)器9，由十字簧片或類似物組成的壓力調(diào)節(jié)簧片7，還有用作壓力調(diào)節(jié)器的墊圈12以及其它零件。
圖16表示位移增大機(jī)構(gòu)的具體例子，這里有等間隔裝在嵌帶上的凹槽的齒形位移增大機(jī)構(gòu)4a在振動(dòng)子部件3半徑的中間部位構(gòu)成。如果凹槽的間隙過分地?cái)U(kuò)大，那么與可動(dòng)體的接觸面積就減少，因此旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)矩將降低。另外，如果齒在縱向上保持這樣的高度，齒本身將提供振動(dòng)模式，位移增大機(jī)構(gòu)4a因此失去作為剛體的功能，相反地導(dǎo)致電機(jī)效率的惡化。為了達(dá)到電機(jī)的高效率，位移增大機(jī)構(gòu)里面園盤部分的厚度a1可比外面部分的厚度a2薄些。
圖17是根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用圖11所示壓電傳感器電極結(jié)構(gòu)的行波電機(jī)的剖視圖，其上連接了壓電傳感器5的振動(dòng)子部件3通過壓入或類似方式支撐在中軸1上，中軸1固定在基臺2上?？蓜?dòng)體6從振動(dòng)子2的上方與作為導(dǎo)向件的中軸1結(jié)合在一起，并由其上的壓力簧片7使可動(dòng)體6緊貼在振動(dòng)子部件3上。兩根引線14中的一根14a安裝在圖11外園周短路電極9a、9c、9e的一個(gè)零件上，另一根引線14b通過焊接等方式安裝在內(nèi)園周短路電極9b、9d、9f的一個(gè)零件上。由于相差90°的信號同時(shí)加在兩根引線14上，振動(dòng)子2產(chǎn)生機(jī)械行波，緊貼在振動(dòng)子部件3上的可動(dòng)體6旋轉(zhuǎn)。
可動(dòng)體的環(huán)形凸塊8的寬度可做得比位移增大機(jī)構(gòu)的齒形凸塊4a的寬度窄些，因此如可動(dòng)體的材料比位移增大機(jī)構(gòu)4a的材料軟，則可動(dòng)體的接觸部分被磨損。
如前所述，位移增大機(jī)構(gòu)4a設(shè)置在振動(dòng)子部件3徑向位置上的 2/5 r≤a≤ 4/5 范圍。
圖18表示對圖17所示行波電機(jī)加高電壓于它的一根引線和振動(dòng)本體之間而得到的高阻抗特性曲線的一個(gè)例子。阻抗特性曲線是在可動(dòng)體與主體分離的條件下測得的。電機(jī)有以下的技術(shù)條件。
從上述數(shù)字可以知道，除在主諧振點(diǎn)處外，覺察不到寄生分量。
圖17所示的行波電機(jī)可表示成如圖19所示的等效電路。在該圖中的L1、C1、R1、C0和RL分別表示串聯(lián)電抗、串聯(lián)電容、串聯(lián)電阻、并聯(lián)電容和負(fù)載電阻。R1的數(shù)值代表行波電機(jī)中的損耗，如振動(dòng)子的內(nèi)部損耗和支撐部分的機(jī)械損耗。
因此，R1的數(shù)值代表壓電振動(dòng)子電極結(jié)構(gòu)的效率。
圖17所示應(yīng)用圖11所示電極結(jié)構(gòu)的行波電機(jī)，其有圖17所示相同構(gòu)造但應(yīng)用了圖6所示已知技術(shù)電極結(jié)構(gòu)的行波電機(jī)的等效常數(shù)如下所示。
圖11所示電極結(jié)構(gòu)的R1值是圖6所示已知技術(shù)電極結(jié)構(gòu)的一半左右。
從上面R1值可以得知圖11所示電極結(jié)構(gòu)比圖6所示的有較高的效率。
圖20表示應(yīng)用圖11所示電極結(jié)構(gòu)的圖17所示行波電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率和頻率間的關(guān)系曲線。該關(guān)系曲線是在驅(qū)動(dòng)電壓為6伏峰-峰正弦波，可動(dòng)體對振動(dòng)本體的接觸壓力為10克力左右的條件下測量的。從該圖可以看出旋轉(zhuǎn)頻率在比較寬的范圍內(nèi)變化，并且最大旋轉(zhuǎn)頻率可超過3000轉(zhuǎn)/分。盡管如此，按照與本發(fā)明有關(guān)的電機(jī)結(jié)構(gòu)，在薄和小尺寸的行小電機(jī)上可實(shí)現(xiàn)高效率的運(yùn)行。
根據(jù)本發(fā)明的行波電機(jī)，可保證在用簡單構(gòu)造以薄和小尺寸的結(jié)構(gòu)達(dá)到高效率運(yùn)行的效果，其振動(dòng)部件固定并支撐在設(shè)置于基臺的中軸上，其配置以實(shí)現(xiàn)壓觸在置于里面靠近振動(dòng)子部件最外面園周部分的輸出引出位置上，且使激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)頻率置于振動(dòng)子部件徑向主振動(dòng)模式上。
因此可將行波電機(jī)用于精密設(shè)備的領(lǐng)域。如用作電子精確計(jì)時(shí)裝置的電機(jī)時(shí)，可獲得已有技術(shù)從未得到的優(yōu)點(diǎn)，如齒輪組數(shù)目能被削減，可逆驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)不受磁鐵影響的低速高轉(zhuǎn)矩，且干擾幾乎對高保持力矩不發(fā)生影響。
權(quán)利要求
1.一種利用振動(dòng)體產(chǎn)生的彈性行波驅(qū)動(dòng)可動(dòng)體的行波電機(jī)，其特征在于該電機(jī)包括固定上述行波電機(jī)的基臺，上述基體有支撐裝置；受到固定和支撐的振動(dòng)體，采用使上述振動(dòng)體與上述支撐裝置結(jié)合成一體的固定和支撐的方式；固定在上述振動(dòng)體一側(cè)以便相對于徑向在上述振動(dòng)體上激勵(lì)主振動(dòng)模式行波的壓電振動(dòng)子；裝在上述振動(dòng)體上的可動(dòng)體；裝在上述振動(dòng)體和上述可動(dòng)體之一上的環(huán)形凸塊，以便上述振動(dòng)體經(jīng)該凸塊與上述可動(dòng)體在上述振動(dòng)體最外面園周內(nèi)的一部分接觸；以及裝在上述可動(dòng)體上以便在上述可動(dòng)體和上述振動(dòng)體之間產(chǎn)生適當(dāng)接觸壓力的壓力調(diào)節(jié)器。
2.按權(quán)利要求1的行波電機(jī)，其特征在于上述支撐裝置由作為可動(dòng)體旋轉(zhuǎn)中心的支撐軸構(gòu)成。
3.按權(quán)利要求2的行波電機(jī)，其特征在于上述壓力調(diào)節(jié)器固定在軸上。
4.按權(quán)利要求1的行波電機(jī)，其特征在于上述環(huán)形凸塊設(shè)置在可動(dòng)體上。
5.按權(quán)利要求4的行波電機(jī)，其特征在于上述環(huán)形凸塊含有齒形位移。
6.按權(quán)利要求4的行波電機(jī)，其特征在于上述可動(dòng)體在與振動(dòng)體的上述凸塊接觸的位置上有另外一個(gè)環(huán)形凸塊。
7.按權(quán)利要求6的行波電機(jī)，其特征在于可動(dòng)體的上述環(huán)形凸塊的寬度較振動(dòng)體的窄些。
8.按權(quán)利要求4的行波電機(jī)，其特征在于振動(dòng)體在上述環(huán)形凸塊內(nèi)側(cè)位置上的厚度較該環(huán)形凸塊外側(cè)位置上的薄些。
9.按權(quán)利要求1的行波電機(jī)，其特征在于上述支撐裝置用導(dǎo)電材料制成。
10.按權(quán)利要求1的行波電機(jī)，其特征在于上述壓電振動(dòng)子做成盤形并有一個(gè)中心孔。
11.按權(quán)利要求10的行波電機(jī)，其特征在于上述壓電振動(dòng)子上有電極圖樣。
12.按權(quán)利要求11的行波電機(jī)，其特征在于上述電極圖樣包括以4的倍數(shù)在相等間隔上分成許多隔開的電極的電極圖樣和兩個(gè)供短路用的短路圖樣，使得隔開的電極輪流地與上述短路圖樣連接以形成兩組電極。
13.按權(quán)利要求12的行波電機(jī)，其特征在于上述壓電振動(dòng)子被極化使得構(gòu)成由兩個(gè)相鄰隔開的電極組成為一組的每個(gè)部分輪流地極化為正和負(fù)電位。
14.按權(quán)利要求12的行波電機(jī)，其特征在于上述壓電振動(dòng)子在其最外面的園周上有一個(gè)環(huán)狀空白部分。
15.按權(quán)利要求12的行波電機(jī)，其特征在于上述壓電振動(dòng)子在中心孔的周圍有一個(gè)環(huán)狀空白部分。
16.按權(quán)利要求12的行波電機(jī)，其特征在于上述隔開的電極中的一個(gè)有標(biāo)記圖樣。
17.一種利用振動(dòng)體產(chǎn)生的彈性行波驅(qū)動(dòng)可動(dòng)體的行波電機(jī)，其特征在于該電機(jī)包括由彈性材料制成的盤形振動(dòng)體;一個(gè)盤形且固定在上述振動(dòng)體一側(cè)以便相對于徑向在上述振動(dòng)體上激勵(lì)主振動(dòng)模式行波的壓電振動(dòng)子;裝在上述振動(dòng)體上的可動(dòng)體;以及在上述壓電振動(dòng)子上設(shè)置的電極圖樣，其包含以4的倍數(shù)在相等間隔上分成許多隔開的電極的電極圖樣和兩個(gè)供短路用的短路圖樣，使得隔開的電極輪流地與上述短路圖樣連接以形成兩組電極。
18.按權(quán)利要求17的行波電機(jī)，其特征在于上述壓電振動(dòng)子被極化使得構(gòu)成由兩個(gè)相鄰隔開的電極組成的一組的每個(gè)部分輪流地被極化為正和負(fù)電位。
19.按權(quán)利要求17的行波電機(jī)，其特征在于上述壓電振動(dòng)子在其最外面的園周上有一個(gè)環(huán)狀空白部分。
20.按權(quán)利要求17的行波電機(jī)，其特征在于上述壓電振動(dòng)子有一個(gè)中心孔且在中心孔的周圍有一個(gè)環(huán)狀空白部分。
21.按權(quán)利要求17的行波電機(jī)，其特征在于上述隔開電極之一有標(biāo)記圖樣。
全文摘要
一種利用定子上產(chǎn)生的彈性行波驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的行波電機(jī)，定子有一個(gè)彈性振動(dòng)體和一個(gè)裝在彈性振動(dòng)體一側(cè)的陶瓷壓電振動(dòng)子。振動(dòng)體的中央部分被固定和支撐在設(shè)置于基臺上的中軸上，在振動(dòng)體最外面圓周內(nèi)側(cè)，在彼此壓觸的振動(dòng)體和轉(zhuǎn)子之一上設(shè)有供驅(qū)動(dòng)用的輸出引出凸塊。振動(dòng)體和壓電振動(dòng)子沿徑向按主振動(dòng)模式激勵(lì)。
文檔編號H01L41/09GK1035213SQ88109300
公開日1989年8月30日 申請日期1988年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月29日
發(fā)明者春日政雄, 森孝幸, 塚田伸雄 申請人:精工電子工業(yè)株式會社