CN101803053B

CN101803053B - 粘滑压电马达

Info

Publication number: CN101803053B
Application number: CN2008801073750A
Authority: CN
Inventors: 本尼·加贝尔
Original assignee: PINANOTECH PIEZO NANO TECHNOLO
Current assignee: PINANOTECH PIEZO NANO TECHNOLO
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: US8018124B2; AU2008300188A1; JP2011516014A; NZ583426A; RU2010109352A; KR20110028249A; EP2188853A1; WO2009037693A1; MX2010002439A; ATE501528T1; CN101803053A; BRPI0816867A2; US20100201224A1; DE602008005471D1; EP2188853B1; CA2696662A1

Abstract

一种压电马达，包括转子、包括具有轴向偏振性的压电材料的定子以及板片，所述定子包括其顶端面上相互间隔开的至少三对电极及其底端面上的公共电极，所述板片在所述电极之间的间隙处附接至所述定子，其中所述转子被预载力压向所述板片，其中，在将正电荷施加给所述电极中的第一个，将负电荷施加给所述电极中的第二个，并将电公共端应用于所述公共电极时，会产生D33压电现象，这使得所述电极之间的间隙弯曲，并使得所述板片倾斜，从而将侧向摩擦推力施加给所述转子以使得所述转子转动。

Description

粘滑压电马达

技术领域

本发明总体涉及压电马达(piezoelectric motor)，例如带有锥形连接转子的更少旋转级管式压电马达(tube piezoelectric rotary-stage-lessmotor)。

背景技术

基于压电效应的装置很多。这些装置广泛用于超声波转换器和致动器。压电致动器或马达也以″粘滑(stick-slip)″摩擦接触旋转级而著称。

发明内容

由此，根据本发明的实施例，提供了一种压电马达，包括管式转子、包括具有轴向偏振性的压电材料的管式定子以及板片(slab)，该管式定子包括其顶端面上彼此间隔开的至少三对电极及其底端面上的公共电极，上述板片在电极之间的间隙处附接至定子，其中该转子被预载力压向板片，其中，在将正电荷施加给电极中的第一个，将负电荷施加给电极中的第二个，并将电公共端应用于公共电极时，会产生D₃₃压电现象，这使得电极中的第一个下方的区域相对于底端面在一个方向上移动，而电极中的第二个下方的区域在与电极中的第一个相反的方向上移动，由此使得电极之间的间隙弯曲，并使得板片倾斜，从而将侧向摩擦推力施加给转子以使其转动，且所述电极之一的电压大于其他电极的电压，借此使得板片升高并旋转，而且增大板片与转子之间的接触力。

在整个说明书和权力要求中，术语″管″涉及中空的圆形物体，例如但不限于中空圆盘(高度可大可小)。

根据本发明的实施例，上述转子包括锥形表面，且板片被倒角，其中，将转子压向板片的预载力沿定子与转子的锥形面的公共轴向中心轴对中。

此外，根据本发明的实施例，电极由压电材料上的导电涂层形成。

此外，根据本发明的实施例，施加到电极的周期性电荷的90°相移致使转子在一个方向上转动，而270°的相移致使转子在相反方向上转动。

根据本发明的实施例，改变施加到电极的电荷之间的相移(或者改变施加到其上的电压)来改变转子的转动。施加到电极的电荷可包括周期性(正弦、余弦等等)电信号。

根据本发明的实施例，板片的倒角与转子圆锥形状之间的匹配接触形状包括直线、凹形和圆曲形中的至少一种。

根据本发明的实施例，还提供了一种压电马达，包括(管式)转子、包括压电材料的(管式)定子、多个等距的侧致动器以及附接至侧致动器的末端构件，上述定子包括带有轴向偏振性的底端面和顶端面，并在两端面上均具有电极，由压电材料制成的等距侧致动器附接至顶端面而具有与定子的轴向中心轴平行的极性，致动器在与定子偏振方向垂直并与定子的顶端面相切的面上具有电极，其中该转子被预载力压向末端构件，其中，在将异号电荷施加给定子的底端面和顶端面时，定子的顶端面轴向移动，而在将异号电荷施加给侧致动器电极时，压电材料因压电横向D₁₅效应像平行四边形一样发生侧向扭曲，从而使得末端压向转子并使得转子转动，借此使得侧致动器升高并旋转，而且增大末端构件与转子之间的接触力。

根据本发明的实施例，上述转子包括锥形表面，且末端构件被倒角，其中，将转子压向末端构件的预载力沿着定子与转子的锥形表面的公共轴向中心轴对中。

此外，根据本发明的实施例，末端构件与转子的圆锥形状之间的匹配接触形状包括直线、凹形和圆曲形中的至少一种(其它形状也属于本发明的范畴)。

锥形连接使从末端传递到锥体的摩擦力矩增大了锥角的正弦的倒数。

在末端朝转子移动时，接触预载力增大，借此增大摩擦力。在将相反电荷施加给上述对电极时，定子将向相对侧扭曲。

由于压电晶体的快速响应时间和/或通过定子以其固有频率运行，将很快实现这些移动，从而，在末端远离转子移动时，转子弹簧预负载的相对较慢的固有机械响应时间将使得板片的末端与转子锥体脱离接触。这就是所谓的″粘滑″连接。

本发明的又一优选实施例涉及组合压电效应(如下面定义的D33和D15)。

根据本发明的实施例，在未向定子施加电荷时，预载力增强了转子与板片之间的摩擦，并导致了转子的锁定状态。

附图说明

通过以下结合附图的详细说明，将能更彻底地理解和了解本公开技术，其中：

图1是根据本发明实施例的压电马达(或者简写为piezomotor)的总体示意图，其包括定子、电极、板片和转子。

图2是图1中的压电马达不带转子的总体示意图。

图3.1是图1中压电马达的侧视图。

图3.2是图1中压电马达的前视剖面图。

图3.3是图1中的压电马达不带转子的俯视图。

图4.1是施加电场之前压电马达的应变效应以及板片位置的示意性侧视图。

图4.2是施加电场之后压电马达的应变效应以及板片位置的示意性侧视图。

图4.3是施加更大电场之后压电马达的应变效应以及板片位置的示意性侧视图。

图5.1是施加于产生矩形倾斜动作的电极的充电顺序的图表。

图5.2是由于图5.1中施加于电极的充电顺序而产生的矩形倾斜动作的说明性示例。

图5.3是施加到顶面电极的正弦电信号脉冲之间的正相位滞后的操作模式。

图5.4是施加到顶面电极的正弦电信号脉冲之间的负相位滞后的操作模式。

图6.1是处于非电激发状态的组合压电马达的总体示意图。

图6.2是处于非电激发状态的组合压电马达的示意性侧视图。

图7.1是处于电激发张紧状态的组合压电马达的总体示意图。

图7.2是处于电激发张紧状态的组合压电马达的示意性侧视图。

图8.1是压电马达末端与转子锥体的接触区域的总体示意图，其中，末端和锥体均具有平直外形。

图8.2是压电马达末端与转子锥体的接触区域的总体示意图，其中，末端为弯曲的，而锥体具有平直外形。

图8.3是压电马达末端与转子锥体的接触区域的总体示意图，其中，末端具有平直外形，而锥体是弯曲的。

图8.4是压电马达末端与转子锥体的接触区域的总体示意图，其中，末端和锥体均具有弯曲的外形。

具体实施方式

以下内容采纳压电学中使用的命名法则。类似于物体的x、y和z轴，以1、2和3标示压电转换器中的基准轴线，而轴线4、5和6表示转动。在制造期间设定压电转换器偏振方向(3)。将模式D₃₃和D₃₁称作呼吸模式，而将模式D₁₅称作剪切模式。在此命名法则中，D₃₁将具有在″3″方向上施加的电压，且在″1″方向上测量形成的长度变化。在致动器D₃₃中，再次在″3″方向上施加电压，但在″3″方向上测量长度变化。

现在参照图1，图1示出了根据本发明实施例构造和操作的压电(回转)马达1(或者简写为piezomotor)，其包括定子、电极、板片和转子。压电回转马达1的定子2由压电晶体材料管制成，并在顶端面上涂覆有两个分开的导电涂层分段电极对5和6。(由诸如陶瓷之类的硬质材料制成的)板片4在电极对5和6之间的间隙处附接至定子2。转子3形成有锥形侧面7。转子3被在轴向8上沿着定子2导向的预载力压向板片4。定子2的压电晶体材料管在箭头8所示的方向上沿着定子2的轴向轴偏振。

在将正电荷施加给电极5，将负电荷施加给电极6时，并将电公共端应用于底端面公共电极9时，产生D₃₃压电现象，这使得电极5下方的区域相对于底端面9在一个方向上移动，而电极6下方的区域在另一方向上移动。

现在参照图2，其示出了图1中不具有转子3的管式压电回转马达1。可见，板片4具有倒角13而匹配转子锥体7的外形。

现在参照图3.1，该图是处于非电激发状态的压电马达1的侧视图，其示出了板片倒角13与转子锥体7之间的匹配接触10。

现在参照图3.2，该图是处于非电激发状态的压电马达1的剖面图，其示出了板片倒角6与转子锥体7之间的匹配接触10。

现在参照图3.3，该图是压电马达1的俯视图，其示出了分段涂覆电极5、6以及位于电极5、6与转子7之间的间隙中的板片4的布置。

现在参照图4.1，该图是处于非激发状态的压电马达定子2上的应变网的示意图。箭头8表示偏振方向。

现在参照图4.2，该图是处于电激发状态的压电马达定子2上的应变网的示意图。将正电荷施加给电极5，将负电荷施加给电极6，并使得公共电极9共同接地。由于压电效应D₃₃，电极5下方的区域移动至偏振(箭头8)的相反方向，而电极6下方的区域移动至偏振方向(箭头8)。电极5与6之间的间隙倾斜，板片4围绕该间隙旋转箭头11所示的角度。

现在参照图4.3，该图是处于电激发状态的压电马达定子2上的应变网的示意图。现将比图4.2中更大的正电荷施加给电极5，将比图4.2中更小的正电荷施加给电极6，而保持与图4.2相同的电压差，并使得公共电极9共同接地。电极5下方的区域比图4.2中的更多地移动至偏振(箭头8)的相反方向，而电极6下方的区域移向偏振方向(箭头8)更少。电极5与6之间的间隙倾斜并升高，且板片4也倾斜并升高箭头12所示的角度。由此，板片4升高并旋转，从而增大板片4与转子锥体7之间的接触力，借此形成″粘滑″构造的第一1/4周期。

现在参照图5.1，该图是电极5和6的充电顺序的一个示例，其中，A表示电极5，而B表示电极6。图5.1示出了以各种顺序施加于电极的电压及其符号。从0点开始，无电压施加于电极，且因此不会在压电马达中形成应力。在步骤I中，电极5接收到-0.3v，而电极6接收到+1v。在步骤II中，电极5接收到-0.6v，而电极6接收到-0.3v。在步骤III中，电极5接收到-0.3v，而电极6接收到0v。以上三个步骤仅是能够用于运行压电马达的诸多完整顺序的一个示例。

现在参照图5.2，该图是板片末端移动与转子锥体7在接触点处的示意图，该转子锥体以图5.1中的充电顺序运行，其中，点(0)15为起点。通过箭头16所示的路径到达步骤I-17，通过箭头18所示的路径到达步骤II-19，通过箭头20所示的路径到达步骤III-21，且通过箭头22所示的路径回到点I-17结束循环。

供以异号电压使得循环方向相反。

此循环形成的总体形状为三角形。从步骤III-21到步骤I-17的那段基本上平行于压电马达的工作冲程，且因此而提高效率。

现在参照图5.3，该图是两个正弦电信号62和63之间的相位滞后64的操作模式的图解说明，上述正弦电信号为施加于每个顶面电极的脉冲。纵轴(y)60为电压，而横轴(x)61为时间。相位滞后64使得转子在一个方向上旋转。

图5.4是较之图5.3的正相位滞后的负相位滞后65的操作模式。这使得转子在与图5.3的转子旋转相反的方向上旋转。

现在参照图6.1，该图是根据本发明实施例构造和操作的组合压电马达30的总体示意图。压电马达30由压电晶体材料管31制成，该压电晶体材料管具有平行于箭头40的轴向偏振性、其下面上的涂敷导电电极32以及顶面33上的涂敷导电电极。均匀布置的至少三个压电侧致动器构件34附接至顶面33，并沿着箭头40所示的方向平行于管31的轴向轴偏振。每个侧致动器构件34在侧面35和36上均具有涂敷的导电电极。(优选为由硬质材料制成的)部分37附接在侧致动器构件34的顶部上，并具有与转子39锥体匹配的界面形状38。转子39被箭头40所示方向上的预载力压向界面形状38。

现在参照图6.2，该图是图6.1中组合压电马达30的示意性侧视图，其示出了转子39的锥体44以及界面形状38与转子锥体44之间的接触点45。

现在参照图7.1，该图是图6.1中电刺激电极时处于扭曲状态的组合压电马达30的总体示意图。用异号电压为电极32和33供电，这使得管31的电极33下的顶面在与箭头40相反的方向上移动，借此使得三个侧致动器构件34与其一同升高。将异号电刺激供应至侧致动器构件34的电极35和36，这使得顶面以及附接至这些侧致动器构件的构件37因D15压电效应在箭头49所示的方向上与管相切地侧向移动。转子39被箭头40所示方向上的预载力压向侧致动器构件34的倒角38。由于转子锥体44与倒角38之间法向力的增大以及它们之间的摩擦力驱动的侧致动器构件34的侧向移动，导致了箭头46方向上的转动。使得充电顺序反向会导致侧致动器构件34在箭头40的方向上向下移动，并使得顶面相对于先前的电刺激移动至相反方向。

注意，在本发明的实施例中，锥体接触增强了可利用的摩擦力矩传递。

现在参照图7.2，该图是图7.1中组合压电马达30的示意性侧视图，其示出了具有圆形形状转子39的锥体47。

现在参照图8.1，该图是压电马达末端与转子锥体的接触区域的总体示意图，其中，末端和锥体均具有平直外形。

现在参照图8.2，该图是压电马达末端与转子锥体的接触区域的总体示意图，其中，末端为弯曲的，而锥体具有平直外形。

现在参照图8.3，该图是压电马达末端与转子锥体的接触区域的总体示意图，其中，末端具有平直外形，而锥体为弯曲的。

现在参照图8.4，该图是压电马达末端与转子锥体的接触区域的总体示意图，其中，末端和锥体均具有弯曲的外形。

应理解的是，出于清楚目的，单个实施例中也可组合实现各个实施例中所描述的本发明的各种特征。相反，为明晰起见，也可单独或以任意适当的子组合实现单个实施例中所描述的本发明的各种特征。

Claims

1.一种压电马达，包括：

转子；

管式定子，所述管式定子包括具有轴向偏振性的压电材料，所述定子包括在所述定子的顶端面上相互间隔开的至少三对电极和在所述定子的底端面上的公共电极；以及

板片，所述板片在所述电极之间的间隙处附接至所述定子，其中所述转子被预载力压向所述板片；

其中，在将正电荷施加给所述电极中的第一个，将负电荷施加给所述电极中的第二个，并将电公共端施加于所述公共电极时，产生D₃₃压电现象，这使得在所述电极中的第一个下方的区域相对于所述底端面在一个方向上移动，而在所述电极中的第二个下方的区域在与所述电极中的第一个的方向相反的方向上移动，由此使得所述电极之间的间隙弯曲，并使得所述板片倾斜，从而将侧向摩擦推力施加给所述转子以使得所述转子转动，且所述电极之一的电压大于其他电极的电压，从而使所述板片升高且旋转，并且增大所述板片与所述转子之间的接触力。

2.根据权利要求1所述的压电马达，其中所述转子包括锥形表面，且所述板片被倒角，其中，使所述转子压向所述板片的所述预载力沿所述定子与所述转子的锥形表面的公共轴向中心轴对中。

3.根据权利要求1所述的压电马达，其中，所述电极由所述压电材料上的导电涂层形成。

4.根据权利要求1所述的压电马达，其中，周期性电循环激活所述电极，其中，施加到所述电极的电荷之间的90°相移致使所述转子在一个方向上转动，而270°相移致使所述转子在相反方向上转动。

5.根据权利要求1所述的压电马达，其中，改变施加给所述电极的电荷之间的相移来改变所述转子的转动。

6.根据权利要求1所述的压电马达，其中，改变施加给所述电极的电压来改变所述转子的转动。

7.根据权利要求2所述的压电马达，其中，所述板片的倒角与所述转子的锥形形状之间的匹配接触形状包括直线、凹形和圆曲形中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的压电马达，其中，施加到所述电极的电荷包括周期性电信号。

9.根据权利要求2所述的压电马达，其中，所述转子与所述板片之间的摩擦力为所述锥形表面的锥角的正弦的倒数的函数。

10.根据权利要求1所述的压电马达，其中，在未向所述定子施加电荷时，所述预载力增强了所述转子与所述板片之间的摩擦力，并导致了所述转子的锁定状态。

11.一种压电马达，包括：

转子；

包括压电材料的管式定子，所述管式定子包括具有轴向偏振性的底端面和顶端面，且在底端面和顶端面上均具有电极；

由压电材料制成的多个等距的侧致动器，所述等距的侧致动器附接至具有与所述定子的轴向中心轴平行的极性的所述顶端面，所述侧致动器在其与定子偏振方向垂直并与所述定子的所述顶端面相切的面上具有电极；

附接至所述侧致动器的末端构件，其中所述转子被预载力压向所述末端构件；

其中，在将异号电荷施加给所述定子的所述底端面和所述顶端面时，所述定子的所述顶端面轴向移动，而在将异号电荷施加给侧致动器的电极时，所述压电材料因压电横向D₁₅效应而像平行四边形一样发生侧向扭曲，从而使得所述末端压向转子并使所述转子转动。

12.根据权利要求11所述的压电马达，其中所述转子包括锥形表面，且所述末端构件被倒角，其中，使所述转子压向所述末端构件的所述预载力沿所述定子与所述转子的所述锥形表面的公共轴向中心轴对中，其中，施加到所述定子的底端面和顶端面的电荷与施加到所述侧致动器电极的电荷同步。

13.根据权利要求11所述的压电马达，其中，所述电极由所述压电材料上的导电涂层形成。

14.根据权利要求11所述的压电马达，其中，周期性电循环激活所述电极，其中，施加到所述电极的电荷之间的90°相移致使所述转子在一个方向上转动，而270°相移致使所述转子在相反方向上转动。

15.根据权利要求12所述的压电马达，其中，所述末端构件与所述转子的锥形形状之间的匹配接触形状包括三角形、椭圆形和矩形中的至少一种。