压电超声马达制造技术

本发明专利技术涉及压电超声马达，其具有长度为Ｌ、高度为Ｈ的压电板形式的振荡器、以及一个或两个被设置在振荡器上并相对于待运动部分的摩擦表面弹性挤压的摩擦元件。按照本发明专利技术，压电板被垂直于大表面延伸的截面分成两个相同的部分，至少一个所述部分包括不对称声学驻波的不对称发生器，该发生器在被激励后生成不对称两维驻波，使得设置在板长端面中央的摩擦元件进行相对于端面倾斜的运动，从而运动能被传递到待运动元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及线性旋转压电超声马达。本专利技术可用作设备技术的通常定位系统及精细定位系统中的电动马达。
技术介绍
从美国专利US-PS 5672930中已知带有金属谐振器的压电超声马达，其中压电元件被粘附在金属谐振器上。已经发现以下事实是不利的，即由于金属谐振器和压电元件的热膨胀系数不同，不可能用这些马达实现高机械功率。而且，金属谐振器是被动体(passive body)。为了实现高速运动，需要借助于相对高的电压激励压电元件。这些缺点降低了马达操作的可靠性，并因此限制了这样的马达的应用领域。除了上述压电马达之外，已知具有单块压电陶瓷板形式的声波谐振器的初级(primarily)压电超声马达，在其小端面处设置碰撞元件(impact element)。这里参考例如US-PS 5453653或US-PS 5616980。在压电陶瓷板的大表面上，设置声学驻波发生器，其同时感应驻弯曲(standing bending)和纵波。由于两个波叠加，碰撞元件经历椭圆运动，该椭圆运动将运动能传递给待移动的元件。借助该类型的马达，发现以下事实是不利的，即弯曲波被用作能量传递波，其包括与发生器的低机电耦合系数。在马达效率减少中以及在限制它们的功率中，低耦合系数导致谐振器激励电压的显著增加。利用这样的马达，不可能通过增加谐振器的尺寸来增加马达的机械功率。压电陶瓷板长度的增加使谐振器的共振频率逐步降低，其结果是其比功率的减小。例如，按该原理构造的来自Messrs Nanomotion的标准超声马达仅包括一个压电陶瓷板作为谐振器，其机械功率约为0.4W。对于增加，可达8个这样的压电致动器(piezoactuator)被设置在外壳中(参看http//www.nanomotion.com/In2000index.html上的公司介绍册)。该措施使得驱动的整个构造更复杂并降低了它们的可靠性。此外，这样的马达包括激励电极的复杂系统，其要求借助于交叉对角焊接的导体的电连接。这进一步降低了马达的可靠性，因为超声波的应用经常导致导线脱离压电板。另一个要提到的缺点是在这样的马达的构造中的操作不方便。谐振器或致动器的纵轴必须与待移动的元件垂直地设置。该结构导致其中采用马达的驱动系统的尺寸增加，并使得构造中的操纵复杂。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是消除上述马达的所有上述缺点，同时实现马达激励电压的降低、机械功率和可靠性的增加、马达设计的简化、制造成本的减少和马达构造中操纵的改进。所指出的目的是这样解决的，即在带有长度为L、高度为H的压电板形式的振荡器以及一个或两个被设置在振荡器上并相对于待移动元件的摩擦面弹性挤压的摩擦元件的压电超声马达中，所提到的压电板被垂直于大表面延伸的截面分成两个相同的部分，其中至少一个部分包括不对称声学驻波的不对称发生器，其在激励后生成不对称两维驻波，使得被设置在压电陶瓷板长端面中央的摩擦元件以相对于划分面相同的倾斜执行运动，从而运动能被传递到待移动元件。而且，压电振荡器可包括两个不对称声学波的不对称发生器，其相对于划分面不对称地设置，用于反转待移动部分的运动，使得在它们选择性激励后，摩擦元件的运动路径和划分面之间的角度改变它们的符号，这导致驱动待移动元件的力改变方向。附图说明将在下面参考实施例和附图更详细地描述本专利技术，其中图1示出本专利技术马达的主要改进； 图2示出振荡器的构造；图3示出具有激励源的振荡器的电路；图4示出振荡器的电气输入阻抗的振幅-频率响应；图5示出振荡器共振频率与振荡器长度的关系；图6示出振荡器的形变；图7示出振荡器长端面处点的振幅和运动路径；图8是马达工作的解释性图示；图9示出二级振荡器的构造；图10示出具有激励源的二级振荡器的电路；图11示出三级振荡器构造；图12示出具有激励源的三级振荡器的电路；和图13示出本专利技术马达的最重要的特征。具体实施例方式本专利技术的压电超声马达包括设置在外壳2内的压电振荡器1、和要与附在其上的摩擦带4运动的元件3(参考图1)。具有摩擦元件5的压电振荡器1借助于压力元件4相对于摩擦带4被弹性地激励。待运动元件3被固定在马达外壳2中的支承座7上，从而其可以在箭头8所指的方向上运动。在图2中，项9、10分别是振荡器1的平面图和底视图。振荡器1被配置为长度为L、高度为H、宽度为B的压电板11，并被划分面12分成两个相同的部分13、14。划分面12通过振荡器长度L的中央，并垂直于振荡器的大边15。划分面12的迹线16由振荡器1上的虚线指示。一个或两个摩擦元件5(图中未示出)被设置在振荡器长度L中央的压电板的长端面17上。在所考虑的本专利技术马达的一个改进中，振荡器1的部分13包括不对称声学波的不对称发生器18。不对称发生器由设置在极化压电板11的大表面15上的激励电极19和公共电极20形成。板11的极化是垂直于电极实现的，并且例如在图1中通过箭头示出。发生器18的不对称特征是由于其相对于划分面12的不对称位置，以及在其激励后在振荡器中生成不对称两维驻波。波可以是一阶、二阶、或更高阶的。振荡器的长度对于高度和激励波的级次具有下面的关系L＝K*H*n。K是取决于压电陶瓷材料宽度或类型的系数。K≈0.5÷1。n是波的阶数。N＝2，3，4，... 在马达的这种改进中，振荡器1的部分14可包括第二自备的不对称声波的不对称发生器21，其包括激励电极22和公共电极20。图3示出带有振荡器1的激励源23的电路。电路图包括切换开关24，其中通过该切换开关，源23被电连接到第一发生器18或第二发生器21。图4示出由Messrs PI Ceramic GmbH的压电陶瓷材料制备的尺寸为60×26×9mm3的振荡器1的电气输入阻抗的振幅频率响应。共振点25指示共振频率f0，其对应于一阶不对称驻波。图5示出在恒定的振荡器长度与振荡器高度比L/H＝2.25以及恒定的振荡器长度与振荡器宽度比L/B＝6的情况下，振荡器共振频率f0(图4中共振点25)与振荡器长度L的关系。图6中项26、27、28、29示出振荡器1的板11在一阶不对称驻波激励后的变形。图7示出在一阶不对称驻波激励后压电板11的长端面17处点的振动幅度(项30)以及运动路径(项32)。项33表示碰撞元件设置在其中的区域。图8解释本专利技术马达的功能。该图示出长端面17处点34的运动路径32和摩擦元件5的点36的运动路径35。图9中项37、38示出振荡器1，其中二阶不对称驻波被激励。在该情形中，发生器18、21包括两个电极19、22，其分别以L/4的距离被设置在振荡器部分13、14上。图10示出具有电激励源23的本专利技术马达的振荡器1的电路。图11中项39、40示出本专利技术马达的另一有利构型改进，其中在振荡器1中激励三阶驻波。在该情形中，发生器18、21包括三个激励电极19，其分别以彼此间隔L/6的距离设置在振荡器部分13、14上。图12示出本专利技术马达的这个改进的振荡器1的电路，其具有电激励源23。图13示出本专利技术马达的最重要的特征，其振荡器尺寸为60×26×9mm3，由Messrs PI Ceramic GmbH的压电陶瓷材料PIC 181制成。项41示出机械瓦特-力特征，项42示出速度-力特征，而项43示出频率-力特征。参考马达考虑操作，其中在其振荡器1处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电超声马达，具有长度为Ｌ、高度为Ｈ的压电板形式的振荡器以及一个或两个设置在振荡器上并相对于要被运动的部件的摩擦面弹性挤压的摩擦元件，其特征在于，所述压电板被垂直于大的表面延伸的截面划分成两个相同部分，其中至少一个所述部分包括不对称声学驻波的不对称发生器，其在激励后生成不对称两维驻波，使得设置在板的长端面中央的摩擦元件进行相对于端面倾斜的运动，从而运动能被传递到要被运动的元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃拉迪米尔韦什纽斯基，阿里克斯韦什纽斯基，
申请(专利权)人：物理设备PI两合公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]