專利名稱：用于鐘表的壓電電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及其轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由超聲壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)。更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明涉及壓電型的微電動(dòng)機(jī)，它包含兩個(gè)相互產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并分別構(gòu)成電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的元件，每個(gè)所述元件具有一個(gè)在所述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中面對(duì)另一個(gè)元件的激勵(lì)表面放置的激勵(lì)表面，在這兩個(gè)元件中的一個(gè)設(shè)有用于在該元件上產(chǎn)生能夠?qū)E圓運(yùn)動(dòng)傳遞到該元件上的激勵(lì)表面的尖部的壓電裝置，這些尖部支撐在另一個(gè)元件的激勵(lì)表面上，產(chǎn)生這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
這樣一種電動(dòng)機(jī)公開在刊物“Techno Japan”的1986年5月的第19卷第5期上的一篇文章中。這種電動(dòng)機(jī)包括一個(gè)一般呈圓盤狀并含有兩個(gè)平直的連接元件的定子，一個(gè)由不銹鋼制成，另一個(gè)由壓電材料制成。在不銹鋼元件的可見面上設(shè)置一個(gè)環(huán)，一系列相互分離并與定子圓盤的軸線同心的小塊體。這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子也呈圓盤形式，該圓盤可轉(zhuǎn)動(dòng)地與定子同軸安裝，使其一個(gè)面靠在定子塊體的自由面上。也是由不銹鋼制成的這種轉(zhuǎn)子在面對(duì)定子塊體的區(qū)域內(nèi)包括有一個(gè)提供高摩擦系數(shù)的塑料環(huán)。
當(dāng)定子的壓電元件被激勵(lì)時(shí)，它在定子塊體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)前進(jìn)波，這個(gè)前進(jìn)波沿著塊體以環(huán)形方式傳播，使塊體的面對(duì)轉(zhuǎn)子的每一個(gè)尖部按一種復(fù)合的橢圓運(yùn)動(dòng)模式產(chǎn)生一種非常小的軸向運(yùn)動(dòng)與一個(gè)環(huán)狀運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，這運(yùn)動(dòng)施加到轉(zhuǎn)子的摩擦環(huán)上使轉(zhuǎn)子繞著電動(dòng)機(jī)的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)地前進(jìn)。
在定子塊體的各尖部的運(yùn)動(dòng)幅度是很小的條件下，為使一個(gè)可察覺的能量可以從轉(zhuǎn)子的軸線上傳出，這樣的運(yùn)動(dòng)幅度應(yīng)該大于塊體的面對(duì)轉(zhuǎn)子的表面的不平度。目前，這個(gè)幅度的數(shù)量級(jí)是一個(gè)微米或數(shù)個(gè)微米，因此有必要對(duì)這樣的表面進(jìn)行非常精密的加工。
這種電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它需要使用兩對(duì)激勵(lì)電極來用異相電勢對(duì)壓電元件進(jìn)行激勵(lì)，否則就不可能在定子內(nèi)產(chǎn)生一種前進(jìn)波。這種要求使電動(dòng)機(jī)的激勵(lì)電路復(fù)雜化，從而提高了成本。
最后，公知的這種電動(dòng)機(jī)并非很容易適應(yīng)例如鐘表用途所要求的低值力矩的傳遞，因?yàn)樵谶@些情況下輸出平平。
另一種結(jié)構(gòu)的壓電微電動(dòng)機(jī)公開在雜志IEEE1989年第735至738頁由T.Takano、Y.Tomikawa，T.Ogosawara和H.Hirata撰寫的文章中。上述文章的題目是“使用壓電陶瓷環(huán)形板的超聲電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和特性”，它公開的電動(dòng)機(jī)包括一個(gè)具有大致平面形狀并帶有在其內(nèi)產(chǎn)生超聲頻率的振動(dòng)波的裝置的第一元件，這種振動(dòng)波使橢圓運(yùn)動(dòng)能夠在其平面內(nèi)傳到這些元件的激勵(lì)圓周尖部。
每一個(gè)激勵(lì)尖部與繞著第一元件放置的圓環(huán)形第二元件的傳遞表面嚙合以通過所述的橢圓運(yùn)動(dòng)使第二元件產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于第一元件的運(yùn)動(dòng)。
雖然它能傳遞的能量大于上面討論過的結(jié)構(gòu)所能夠傳遞的能量，但這種公知的結(jié)構(gòu)也存在需要極為精確的振動(dòng)元件的外表面和環(huán)形元件的激勵(lì)表面的外形輪廓的缺點(diǎn)，這兩個(gè)元件需要調(diào)節(jié)到兩者之間實(shí)際上不存在間隙而又要能夠有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
此外，這種電動(dòng)機(jī)具有與上面討論過的現(xiàn)有技術(shù)電動(dòng)機(jī)同樣的缺點(diǎn)，即在它們用于低力矩的傳遞時(shí)需要兩相激勵(lì)電壓并具有低的輸出。
本發(fā)明的目的是克服上述的缺點(diǎn)，提供一種上述類型的壓電電動(dòng)機(jī)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的的壓電型電動(dòng)機(jī)包含兩個(gè)相互產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并分別構(gòu)成一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子的元件，第一元件具有大致平面形狀并含有在其內(nèi)產(chǎn)生超聲頻率的振動(dòng)波的裝置，這種振動(dòng)波能將一個(gè)橢圓運(yùn)動(dòng)傳遞到在所述第一元件的平面的周邊上的至少一個(gè)激勵(lì)尖上，所述的激勵(lì)尖與第二元件的一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳遞表面嚙合，以通過所述的橢圓運(yùn)動(dòng)使所述第二元件產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于所述第一元件的運(yùn)動(dòng)，其特征在于，所述第一元件包括一個(gè)基本上呈圓形的中央部分，其一個(gè)面貼附有產(chǎn)生振動(dòng)波的裝置，從所述中央部分伸出至少兩個(gè)瓣，在這些瓣的邊緣上設(shè)置所述激勵(lì)尖，所述瓣的側(cè)向邊緣輪廓加工成使從所述中央部分發(fā)射的振動(dòng)能量集中在所述激勵(lì)尖內(nèi)。
由于這些特征，大大簡化了電動(dòng)機(jī)的制造，因?yàn)橹灰诩?lì)尖的位置上保證第一元件的尺寸精度就能滿足要求，同時(shí)借助于這個(gè)元件的瓣的合適的外形輪廓，能量就可以充分地集中在這些激勵(lì)尖內(nèi)。從第一元件到第二元件的振動(dòng)能量的傳遞明顯地優(yōu)于在現(xiàn)有技術(shù)中的能量傳遞，電動(dòng)機(jī)的有用力矩有很大的增長。
本發(fā)明的其它一些特性和優(yōu)點(diǎn)將在下面結(jié)合附圖進(jìn)行僅作為示例的描述。在附圖中，

圖1示出本發(fā)明的壓電電動(dòng)機(jī)的第一實(shí)施例的正視圖，一半為剖視圖，另一半是從外部觀看的視圖;
圖2示出這種電動(dòng)機(jī)的平面圖，其上裝有它的輸出小齒輪的蓋板已拆下;
圖3示出本發(fā)明的壓電電動(dòng)機(jī)的第二實(shí)施例的正視圖，一半為剖視圖，另一半是從外部觀看的視圖;
圖4示意地示出在圖1至3所示的電動(dòng)機(jī)的定子上傳播的振動(dòng)波路徑;
圖5示出第一元件的一個(gè)瓣的激勵(lì)端的局部示意圖，更確切地說是示出在電動(dòng)機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)過程中由這種瓣的激勵(lì)尖實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)路徑的局部示意圖;
圖6示意地示出本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例。
首先參看表示本發(fā)明的壓電電動(dòng)機(jī)的第一實(shí)施例的圖1和圖2。
這種電動(dòng)機(jī)包含一個(gè)含有一個(gè)圍繞著軸線X-X的基本上是圓形的、并在中心具有一個(gè)通孔3的底板2的定子1。底板2上有一個(gè)限定一個(gè)用于容納一個(gè)螺旋彈簧6的圓柱形腔穴5的環(huán)形中央凸肋4。螺旋彈簧6借助于一個(gè)壓入中心孔3內(nèi)的并有一個(gè)彈簧6的相應(yīng)端部圍著它夾緊的凸緣8的栓塞7相對(duì)于底板2固定住。
底板2的中央凸肋4設(shè)在其上的表面覆蓋有一層其上印電路10的絕緣材料9，該電路10的作用將在后面說明。
一個(gè)構(gòu)成球軸承12的內(nèi)座圈的環(huán)11用緊固螺釘13固定到中央凸肋4上。軸承12還包括固定到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子15上的外座圈14。
屬于定子的螺旋彈簧6軸向伸出超出中央環(huán)形凸肋4，在彈簧的自由端部容接有一個(gè)緊固件16，這緊固件16借助于彈簧6的剛性卡緊在彈簧上。緊固件16焊在一塊相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的軸線X-X徑向伸展的基本上是平的諧振板17上。
這塊諧振板17的與緊固件16相對(duì)的面上粘有一個(gè)圓形的并與軸線X-X同心的陶瓷壓電元件18。
在圖2和圖4中可以看到，諧振板17包括一個(gè)有兩個(gè)瓣17b從其上徑向外伸的中心部分17a，每一個(gè)瓣的端部有一個(gè)激勵(lì)尖17c。
每一個(gè)瓣17b由以一個(gè)恒定的徑向距離沿著轉(zhuǎn)子15的內(nèi)圓周伸展的一段圓形邊緣17d和其兩個(gè)焦點(diǎn)F1和F2分別設(shè)在板17的中心和激勵(lì)尖17c的尖頂(圖4)的橢圓的一段邊緣17e所限定。
轉(zhuǎn)子15主要包含一個(gè)外環(huán)19，其內(nèi)環(huán)形表面是帶臺(tái)階的。在靠底板2一側(cè)，外環(huán)具有一個(gè)形成軸向臺(tái)肩的徑向環(huán)狀凸臺(tái)20，球軸承12的外座圈14的外凸緣21抵靠在該凸臺(tái)20上。外環(huán)還具有一個(gè)跟定子1的激勵(lì)尖17c相配合形成轉(zhuǎn)子15的運(yùn)動(dòng)傳遞表面的軸向環(huán)形凸臺(tái)22。
環(huán)形凸臺(tái)22或運(yùn)動(dòng)傳遞表面的直徑精確地與分隔開激勵(lì)尖17c的頂點(diǎn)的距離相配合。應(yīng)當(dāng)注意到，這個(gè)距離可以容易地通過合適地修整激勵(lì)尖17c的頂點(diǎn)而精確地實(shí)現(xiàn)匹配。因此，從這點(diǎn)來說，與現(xiàn)有技術(shù)的電動(dòng)機(jī)相比，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)更易于制造。
轉(zhuǎn)子的外環(huán)19還包含一個(gè)環(huán)狀凸緣23，其徑向端表面作為通過螺釘25安裝在外環(huán)19上的蓋板24的支承面。
在蓋板24的中心設(shè)有一個(gè)開孔26，其內(nèi)壓入一個(gè)小齒輪27，該小齒輪用于保證電動(dòng)機(jī)的輸出力矩的傳遞。
圖2示出印刷電路10具有一定數(shù)量的朝著外部徑向伸展并與一個(gè)設(shè)在轉(zhuǎn)子的面對(duì)印刷電路10的表面上的摩擦觸點(diǎn)29相配合的觸點(diǎn)28。這樣的布置能借助于連接到壓電板18上的一個(gè)合適的激勵(lì)電路獲得電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)功能，每次摩擦觸點(diǎn)從一個(gè)徑向觸點(diǎn)28移動(dòng)到另一個(gè)接點(diǎn)產(chǎn)生一次步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。如果該電動(dòng)機(jī)打算用在鐘表上-這是優(yōu)選的用途之一，徑向觸點(diǎn)的數(shù)目最好是等于60。但是，這種電動(dòng)機(jī)也可以按連續(xù)模式使用，在這種情況下，印刷電路和與它相關(guān)聯(lián)連的摩擦觸點(diǎn)可以不要。
圖3表示本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)實(shí)施例，除了運(yùn)動(dòng)輸出方式稍有不同外，其它所有方面都類同于圖1和2所示的實(shí)施例。實(shí)際上，在這種情況下，電動(dòng)機(jī)沒有設(shè)置蓋板，而是在環(huán)狀凸緣23的內(nèi)側(cè)加工成具有內(nèi)齒30的立輪(crown)。通過這些齒可與用于傳遞轉(zhuǎn)子15的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的齒輪系的一個(gè)小齒輪(未示出)嚙合。
這種電動(dòng)機(jī)的操作如下所述壓電元件18通過它的兩個(gè)電極(圖中未示出)受到電勢的作用，產(chǎn)生一種柱面彈性波，朝向諧振板17傳遞。這種波的發(fā)射中心設(shè)在諧振板17的橢圓邊緣17e的焦點(diǎn)F1(見圖4)，因而與電動(dòng)機(jī)的軸線X-X重合。彈性波被橢圓邊緣17e反射，并且由于這樣的邊緣的特定的幾何形狀，這種反射波聚焦在橢圓邊緣17e的第二焦點(diǎn)F2上，也就是說，聚焦在諧振板17的激勵(lì)尖17c的頂點(diǎn)上。一部分柱面波朝向諧振板的圓形邊緣17d傳播，被這段邊緣反射，朝向柱面波的發(fā)射中心，即橢圓邊緣17e的焦點(diǎn)F1。
由此導(dǎo)致諧振板的兩個(gè)激勵(lì)尖17c的頂點(diǎn)產(chǎn)生一種橢圓運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)具有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子15的作用(見圖5)。
在本申請(qǐng)人制作的一種原型中，選擇了下列的尺寸，應(yīng)該理解到，給出的這些數(shù)值在這里僅作為示例電動(dòng)機(jī)的外徑 10.6mm轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑 10mm定子(邊緣17d)的直徑 9.2mm元件18的直徑 5mm此外，精確地選擇激勵(lì)尖17c的基部尺寸是有利的，這個(gè)基部的以點(diǎn)F1為頂點(diǎn)的張角A最好選成5°。元件18的厚度是0.2mm，陶瓷材料的種類可以是具有1.8nF的固有電容Co的PXE5。當(dāng)施加在壓電元件的電極上的電勢為3V，供給該裝置的能量是400 Hz頻率的3.2mJ。
諧振板17必須由一種其聲阻抗盡可能地接近壓電元件18的聲阻抗的材料制成，以便盡可能有效地傳遞振動(dòng)波。而且這種材料應(yīng)該有好的耐磨性能。雖然諸如Durimphy、回火或不回火的鋼、鈹銅、黃銅或鎳、銀這樣的材料都可用，但已確認(rèn)鋁可以獲得最好的效果。但是，由這種材料制造的諧振板需要進(jìn)行處理，以使它們具有所要求的耐磨性能和最終的可焊性，為此目的，先鍍一層鎳，然后再在中心部位鍍金并對(duì)激勵(lì)尖17c加一層氧化物是合適的。
在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的非同步特性的條件下，電動(dòng)機(jī)最好包括有用于檢測上述圖1至3所示位置的裝置。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是簡單和通過一個(gè)簡單的信號(hào)形成操作與電動(dòng)機(jī)使用同一激勵(lì)。使用本技術(shù)領(lǐng)域人員公知的電子學(xué)知識(shí)就能使電動(dòng)機(jī)按步進(jìn)模式、以每秒1到60步的頻率工作，角坐標(biāo)分辨率為每步6度。因此，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)特別適合于鐘表用途。
為了將諧振板的質(zhì)量指標(biāo)保持在一個(gè)合適的數(shù)值上，諧振板最好安裝在一個(gè)彈性的聯(lián)接裝置上，這種聯(lián)接裝置可以是圖1至3所示的彈簧懸掛裝置，這種彈簧懸掛裝置只作為示例，并不作為限定條件。這種裝置還具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)上的(軸承/定子、轉(zhuǎn)子/軸承、諧振板對(duì)彈簧的緊固、等等)同心度的可能發(fā)生的誤差的優(yōu)點(diǎn)，從而有利于激勵(lì)尖17c與轉(zhuǎn)子的恒定的接觸。
圖6表示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，它跟前述的實(shí)施例不同之外僅在于它包括有一個(gè)具有三個(gè)瓣17A-a的諧振板17A，其激勵(lì)尖相互隔開120°。
電信號(hào)只通過兩個(gè)設(shè)在平面上的電極(圖中未示出)施加到壓電元件上，這電信號(hào)具有正弦波形，頻率是該裝置的多個(gè)諧振頻率中之一，并且可具有例如3至15伏的振幅。激勵(lì)電壓的數(shù)值對(duì)轉(zhuǎn)子的速度起作用，并可最終用作這種速度的調(diào)整變量。
也可能用一個(gè)具有與正弦波信號(hào)相同頻率的方波信號(hào)來取代正弦波信號(hào)來激勵(lì)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)。這樣一個(gè)方波信號(hào)具有簡化電動(dòng)機(jī)的控制電路的優(yōu)點(diǎn)。因而，這種電路可包含一個(gè)本業(yè)人員熟悉的具有三個(gè)或四個(gè)晶體管的電橋。
權(quán)利要求
1.一種壓電型電動(dòng)機(jī)，它包含兩個(gè)相互產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并分別構(gòu)成一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子的元件，第一個(gè)元件呈有大致平面形狀并含有在其內(nèi)產(chǎn)生超聲頻率的振動(dòng)波的裝置，這種振動(dòng)波能將一個(gè)橢圓運(yùn)動(dòng)傳遞到在所述第一元件的平面的周邊上的至少一個(gè)激勵(lì)尖上，所述的激勵(lì)尖與所述第二元件的一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳遞表面嚙合，以通過所述的橢圓運(yùn)動(dòng)使所述第二元件產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于所述第一元件的運(yùn)動(dòng)，其特征在于，所述第一元件包括一個(gè)基本上呈圓形的中央部分，其一個(gè)面貼附有產(chǎn)生振動(dòng)波的裝置，從所述中央部分伸出至少兩個(gè)瓣，在這些瓣的邊緣上設(shè)置所述激勵(lì)尖，所述瓣的側(cè)向邊緣輪廓加工成使從所述中央部分發(fā)射的振動(dòng)能量集中在所述激勵(lì)尖內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電電動(dòng)機(jī)，其特征在于所述定子是所述第一元件，所述轉(zhuǎn)子是所述第二元件。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述定子包含一塊所述瓣和所述激勵(lì)尖設(shè)置在其上的諧振板，并且所述產(chǎn)生振動(dòng)波的裝置包含固定在所述諧振板的一個(gè)面上的壓電材料薄層。
4.如權(quán)利要求3所述的壓電電動(dòng)機(jī)，其特征在于包含一個(gè)支承件，所述諧振板通過一個(gè)彈性聯(lián)接裝置固定在其上。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電電動(dòng)機(jī)，其特征在于，每一個(gè)所述瓣具有一個(gè)其中心在所述中央圓形部分的軸線上的圓的一段圓弧的形式的、并面對(duì)所述運(yùn)動(dòng)傳遞表面的邊緣，并且這個(gè)圓形弧狀邊緣與一個(gè)跟另一個(gè)瓣連接的一個(gè)橢圓形輪廓的邊緣連接，這個(gè)橢圓形邊緣的一個(gè)焦點(diǎn)設(shè)在所述軸線上，其第二個(gè)焦點(diǎn)跟屬于這個(gè)瓣的所述激勵(lì)尖重合。
6.如權(quán)利要求2所述的壓電電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子包含一個(gè)圓環(huán)，其內(nèi)側(cè)設(shè)有所述的運(yùn)動(dòng)傳遞表面，所述圓環(huán)由一塊圓形板封閉住，在該圓形板上壓入一個(gè)用于傳遞這種運(yùn)動(dòng)并形成電動(dòng)機(jī)的輸出的小齒輪。
7.如權(quán)利要求2所述的壓電電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子包含一個(gè)圓環(huán)，其內(nèi)側(cè)設(shè)有所述的運(yùn)動(dòng)傳遞表面，所述圓環(huán)還包含一個(gè)用于與一個(gè)在電動(dòng)機(jī)外面的傳動(dòng)元件嚙合的帶齒立輪，所述立輪形成電動(dòng)機(jī)的輸出。
全文摘要
一種壓電型電動(dòng)機(jī)含相互產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的定子和轉(zhuǎn)子，定子含一諧振板和產(chǎn)生超聲振動(dòng)波的裝置。振動(dòng)波將橢圓運(yùn)動(dòng)傳到諧振板面周邊的激勵(lì)尖上，激勵(lì)尖與轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)傳遞表面嚙合以藉橢圓運(yùn)動(dòng)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。諧振板包括一面附有產(chǎn)生振動(dòng)波的裝置的中央圓形部分，從其伸出至少兩個(gè)在邊緣設(shè)有激勵(lì)尖的瓣。瓣的邊緣從中央發(fā)射的振動(dòng)能量集中在激勵(lì)尖內(nèi)，因而邊緣的一側(cè)最好是橢圓形。本發(fā)明特別適用于鐘表領(lǐng)域里的具有低力矩高輸出的電動(dòng)機(jī)。
文檔編號(hào)G04C3/12GK1065361SQ9210216
公開日1992年10月14日 申請(qǐng)日期1992年3月24日 優(yōu)先權(quán)日1991年3月28日
發(fā)明者C·佩克拉特, M·W·漢斯 申請(qǐng)人:Eta草圖制造公司