用于组合式换能器的电驱动装置制造方法及图纸

一种以谐振电信号激励组合式换能器并使后者产生非正弦换能输出的电系统。换能器可由包含若干换能组件的组合式压电致动器构成。每一换能组件与第二致动器的相应组件串联而形成回路。电控制器用具有各自的频率、相位、幅度和极性的电信号激励各回路。每一致动器的输出均为其中各双晶片机械输出的矢量和。用该电波形驱动一对致动器时，两致动器间产生电荷振荡，回路电流在基本无损耗的无功元件间流动而不流经高损耗的输出装置。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电换能器，特别是那种用于驱动组合式换能器的电谐振系统。如果有选择地激励连接在一起的换能器各换能组件，就可以变更或扩展电换能器的输出能力。例如，将若干个换能组件层叠起来可构成作为一种电换能器实例的压电致动器，则该致动器可以给出三维机械输出。若将周期性地交替变换着的两个或多个压电致动器的牵引行程组合在一起，便可以获得“步进”移动。常规的谐振致动器，比如说超声谐振行波电动机，在其开始牵引接触时，致动器与可移动物体间的相对速度将产生初始滑动，该滑动将一直延续到形成牢固的接触时为止;在该周期的牵引段即将结束时，将再一次产生滑动，以便为进入该周期的离开段和回程段作准备。由于滑动摩擦，特别是在当相对速度最大时的回程段的滑动摩擦，使得这种系统的电机械转换效率大为降低。具有常规谐振驱动器的致动装置，其电机械转换效率一般大会超过40%，而其中的大部分损耗是由滑动摩擦造成的。目前已知，在运行了几分钟之后，谐振行波压电电动机的转子，将因这种接触而过热。这种具有圆形或椭圆形牵引轨道的谐振致动器对定位物体或转子施加的力是随时间变化的法向力和随时间变化的切向(牵引)力。其结果是，所产生的线性移动是不平缓的，电动机的转矩是脉动的。通过改变电压周期性变化的幅度或机械行程，可以对谐振致动器的作用速度进行调节。但是在全速和满功率的条件下，谐振致动器的运行效率最高。若用降低幅度的方式降低其速度，则因为滑动摩擦在全部可利用的能量中所占的比例增加，亦将导致效率的降低。回程中的摩擦将随着圆形或椭圆形移动尺度的减少而加剧。牵引周期处于完全中止或暂停部分时的谐振幅度确定了速度的下限。因此，这种谐振致动器的运行状态是难以保持受控的稳定位置并施加静态牵引力的。先有技术中谐振激励的压电致动器使用厚度压电形变模式或长度压电形变模式，其中，铁电体的极化方向平行于所施加的电场方向。如果外加电势产生的电场方向与极化方向反向平行，则将会降低铁电体的极化甚至使之反向。这种压电致动器需要较大的电压摆幅来维持谐振，且该电压摆幅要基本上对称于自动定位的中间电势值。把自动定位的中间电势值提高地电位以上至少半个峰-峰电压摆幅，就可以避免去板化作用。然而，这将使电路在相当高的对地电压下运行，对于大型致动器，这往往会产生危险。人们已经用变化缓慢的直流电流(比如说可编程直流功率源)来控制压电定位器。这些功率源除了具有受限制的频率响应之外均与A类放大器相仿。所有的无功电容性电流均流经这些放大输出装置。在零激励状态下，一个A类放大器将在其内部消耗掉所有可利用的能量。可变直流电压基本上没有叠加的高频脉动，从而它还可以提供低速下(包括零速度)的平滑控制和高定位精度的压电定位。若工作在适当的频率和电压，则可编程直流功率源可使压电致动器以平缓步进方式运行而没有滑动摩擦所造成的损耗。但是，仿真A类或B类放大器是可编程直流功率源的性能限制着这种装置的高效率。当每秒钟有几个牵引循环或是电压起过200伏时，动作变得更加困难，且其效率更低。而且，当驱动一完全容性负荷时，现有的A类或B类线性放大器中没有一个能保持稳定。因此，除了在放大器频带的最低部分之外，这种放大器对于高效电机械压电步进致动器来说，是不适用的。Skipper等人的美国专利4628275描述了一种仿真A类放大器的电子驱动器。该放大器可给出压电剪切致动器所需的高双极电压摆幅。然而即使是在保持电压稳定时，该放大器的起声电荷转换周期也加速其磨损速率，并在所有连接该致动器与定位物体间的机械中增大疲劳。而且，该放大器需要有高压直流功率源、大和笨重的变换器，以及非常高速的开关，才能获得适当的电效率。交-直流功率变换器的使用以及存在于输出开关装置中的大的无功电流，使得这种致动器的效率不可能达到80%以上。可平缓步进的压电致动器特别适于在真空中运行，比如说在轨道空间站中使用，其原因是它不需要润滑。这种压电致动器的电机械效率相当高，若忽略其内部的电损耗，其效率可达98%。这种致动器还可以防止运行中往往会出现的过热，从而不再需要辅助冷却，这种冷却会降低整个系统的效率。而且，这种压电致动器不再需要功率源提供额外的能量来保持其稳定力。在真空中运行对这种驱动电子仪器提出了类似的热控制要求。随着效率的提高，将大大地减小对热量消除的需要。当压电致动器所施加的力是稳态力，或是在低速下运行时，理想电功率源产生的内部热量可忽略不计。理想的是，由驱动系统所提供的能量应该等于由该致动器转换成有用机械功的能量。因此，为了能够得到压电致动器的非正弦换能器输出，比如说为平缓步进移动，就需要有高效率的电系统为其提供适当的谐振波形。在常规换能器中，电机械谐振产生的是正弦输出，它可以十分容易地用能产生一椭圆形或圆形机械输出的正弦波和余弦波加以描述。与此相反，本专利技术给出了一种可驱动一组合式换能器以产生任意输出波形的电学系统。其中，换能器的每一换能组件均通过一分立的电路与一电控制器相连。该电控制器分别为每一回路提供单独的谐振电信号，以激励换能器的各相应的换能组件。每一换能组件均响应各自回路中的谐振电激励。但是，因为换能器是由各换能组件彼此耦合而成，故其总的输出(一般为力的形式或移动形式)应为换能器的各个换能组件的输出响应的矢量和(忽略耦合效应)。因此，通过对各换能组件相应于各谐振电激励所产生的响应进行机械叠加，本专利技术的系统具有产生非正弦换能器高效输出的能力。适当地选择各电回路的频率和付里叶系数幅值，本专利技术系统的输出波形可在较宽的范围内变化。举例而言，但不限于此例，本专利技术的系统可用于压电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器以及热膨胀装置。而且，由于在各种类型的机械中和各种精密仪器(比如说光具座)中，所产生的周期性扰动都是典型的非正弦形式，因而应用本专利技术的原理都可以将其减小，以至将其完全消除。为了更好地阐明本专利技术以及本专利技术的优点，下面将结合附图描述本专利技术的最佳实施例。附图说明图1是一压电双晶片的透视图;图2是一由若干个层叠双晶片构成的压电致动器的透视图;图3是位置安排成用于步进移动的一对邻接的致动器的透视图;图4是本专利技术的一个电驱动系统的示意图;图5示出了一双轴、恒速、平缓步进的压电致动器的切向作用的理想机械波形图;图6示出由六个致动器换能组件输出的机械和的曲线，它与图5所示的理想波形基本吻合;图7示出了输出的和如图6曲线所示的六个致动器换能组件的前四个独立波形曲线;图8示出了一双轴、平缓步进的压电致动器的垂直作用的理想机械波形曲线;图9示出了与图8的理想波形近似的由六个致动器换能组件输出的机械和;图10示出了压电换能组件有30%迟滞的曲线;图11示出了一个压电换能组件的迟滞滞后的四分之一周期的曲线;图12示出了该压电致动器垂直作用的迟滞滞后的四分之一周期的曲线;图13示出了图11所示的迟滞时间延迟已被从致动器的每一换能组件的起动时间中减去后的垂直作用的四分之一周期的曲线。本专利技术包括一个用于驱动电换能器(如压电致动器)以产生非正弦换能输出的系统。虽然在下面的说明中仅涉及压电致动器这种典型的换能器，但是，本专利技术适用于驱动各种类型的组合式电换能器。为了能更好地理解本专利技术，图1-3对层叠组合式压电致动器作了介绍。图1示出称为“双晶片”的压电元2。双晶片2的构成为压电薄层4a、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于驱动换能器的电系统，包括：若干个彼此耦合以构成换能器的换能组件，每一所述组件均包含有阻抗；若干个第二阻抗；若干个回路，每一所述回路均以电学串联的方式将换能器换能组件之一和相应的一个第二阻抗连接起来；用于谐振激励各回路 以使其产生一个预定非正弦换能输出的装置；以及用于将所述激励装置与各回路耦合的装置。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高尔顿沃尔特卡尔普，
申请(专利权)人：洛克威尔国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]