專利名稱：用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。特別涉及一種用于旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)和直線超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，超聲電機(jī)包括一個(gè)由壓電體和彈性體構(gòu)成的振動(dòng)體以及一個(gè)設(shè)置成與轉(zhuǎn)動(dòng)體以一定壓力相接觸的旋轉(zhuǎn)體。通過向該壓電體提供一個(gè)高頻交變電壓，由于振動(dòng)體的振動(dòng)作用發(fā)出彈性位移波，因此轉(zhuǎn)動(dòng)體利用摩擦力作用可以轉(zhuǎn)動(dòng)起來。
壓電超聲電機(jī)利用的是非電磁效應(yīng)，這替代了普通的電機(jī)原理。在超聲電機(jī)中，為了得到可以轉(zhuǎn)換成移動(dòng)部分的連續(xù)移動(dòng)的行波，會(huì)形成兩個(gè)超聲振動(dòng)，通常這兩個(gè)超聲振動(dòng)相位移為90°或45°。通過簡單地極化以不同方式設(shè)置的壓電環(huán)或通過疊積壓電元件，將導(dǎo)致超聲振動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
圖1示出的是旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的例子，該電機(jī)尤其適于用在自動(dòng)電路斷路器中。
如該圖所示，一臺(tái)壓電電機(jī)，一般由參考標(biāo)記1表示，包括一個(gè)定子單元和一個(gè)轉(zhuǎn)子單元。該轉(zhuǎn)子單元包括一個(gè)金屬盤或環(huán)2，其在結(jié)構(gòu)上與所述電機(jī)的軸剛性匹配。此外，為了允許軸承3旋轉(zhuǎn)，軸承3就其功能上與該電機(jī)軸相聯(lián)接。
按順序說，定子單元包括一個(gè)片盤53，軸承3連接其上，還包括一個(gè)環(huán)狀彈性盤4，其連接到片盤53上并具有基板5和環(huán)6，環(huán)6形成具有多個(gè)齒的形狀，這些齒橫向地尤其以垂直角度從基板5突出。
定子單元進(jìn)一步包括至少一個(gè)壓電材料層7，該層固定到例如粘接到彈性板4上。特別是，壓電材料層7包括多個(gè)扇形片8，這些扇形片在相反的方向上交替極化并且通過外部控制單元的控制信號(hào)對(duì)其電激勵(lì)。
電機(jī)1進(jìn)一步包括例如由橡膠片或塑料片或金屬片構(gòu)成的摩擦件10，其置于金屬盤2和具有齒的成型環(huán)6之間，該電機(jī)也包括固位件，其可以利用例如設(shè)置在金屬盤2表面上的金屬彈性體11構(gòu)成，其中金屬盤2處于與環(huán)形彈性盤4相對(duì)的位置上。在桿13端部設(shè)有螺紋處擰上一螺母12，該螺母使安裝在定子上的轉(zhuǎn)子的各種元件能被保持住。
圖1中的超聲電機(jī)的操作過程如下所述。
當(dāng)輸入電壓時(shí)，環(huán)7的每個(gè)扇形片8將發(fā)生扭曲并且彈性環(huán)也將發(fā)生扭曲。為了使由壓電扇形片引起的微振動(dòng)增大，彈性環(huán)上設(shè)有齒。結(jié)果，沿著該環(huán)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)行進(jìn)超聲波。當(dāng)這個(gè)行進(jìn)超聲曲波沿該環(huán)移動(dòng)時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子之間的接觸點(diǎn)具有橢圓形的運(yùn)動(dòng)行程，進(jìn)而可以利用摩擦帶動(dòng)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2示出的是直線超聲電機(jī)中的定子的實(shí)例，由參考標(biāo)記15表示，其中該壓電元件16如圖示出的那樣互疊和設(shè)置。
其它類型的直線電機(jī)利用了一種或多種由至少一個(gè)壓電材料片引起的超聲振動(dòng)，其中該壓電材料片粘接在具有適當(dāng)突起的板上面。
該壓電元件與橢圓形構(gòu)件27連接，因此壓電元件16在箭頭14表示的方向上使該構(gòu)件振動(dòng)。
圖3示出的是用于超聲電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電路，其特別包括了一電壓控制振蕩器20，該振蕩器根據(jù)輸入到其控制端的電壓可發(fā)出不同頻率的信號(hào)。
該振蕩器發(fā)出一個(gè)交流電壓信號(hào)，該信號(hào)分離出兩個(gè)信號(hào)其中的一個(gè)信號(hào)通過移相電路21移相，然后上述兩個(gè)信號(hào)輸入到由兩個(gè)電源放大器組成的電源放大級(jí)22中。利用由普通型號(hào)的線圈繞組組成的變壓器23的性能，該信號(hào)的電壓可以增大到足以驅(qū)動(dòng)該超聲電機(jī)的電平。接著上述信號(hào)輸入到用于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)振動(dòng)體的兩個(gè)端子上，該電機(jī)在圖3中由參考標(biāo)記1表示。所述超聲電機(jī)由圖1中采用的相同參考標(biāo)記來表示，但是它也可以是圖2中示出超聲電機(jī)的類型，因此在這種情況下其也可以由參考標(biāo)記15表示。
所述信號(hào)傳輸?shù)慕Y(jié)果是，在超聲電機(jī)的振動(dòng)體中激勵(lì)出曲線式振動(dòng)位移波，因此引起轉(zhuǎn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)，正如前面結(jié)合圖1所解釋的。圖3中以結(jié)構(gòu)圖示出的電路中輸入一個(gè)直流電源電壓。
該電路通過一個(gè)用于檢測(cè)超聲電機(jī)速度的電路24和一個(gè)適于驅(qū)動(dòng)電壓控制振蕩器20和移相電路21的速度控制電路25而成為完整的電路。
然而，超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，就像圖3中示出的驅(qū)動(dòng)裝置，還具有缺陷。
首先，圖3中的電路需要采用用于高頻的具有特殊線圈繞組的變壓器。而且，振蕩頻率的精確度大約為20％，因?yàn)樵臄?shù)量多電路板不是很緊湊。
此外，圖1中的電子電路成本很高，而該控制系統(tǒng)的效率很低。
本發(fā)明的目的在于提供一種超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置比公知的驅(qū)動(dòng)裝置更簡單更可靠。
在這個(gè)目的范圍內(nèi)，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)在于提供一個(gè)用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其中電子部分相對(duì)于已知的驅(qū)動(dòng)裝置大大地簡化。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)在于提供一個(gè)用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其比已知的驅(qū)動(dòng)裝置具有較高的效率和較高的可達(dá)到的振動(dòng)頻率的精確度。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)在于提供一個(gè)用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其可在電機(jī)端子短路情況下自保護(hù)。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)在于提供一個(gè)用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其與公知的具有相等輸出電壓的裝置相比具有更小的尺寸。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)在于提供一個(gè)用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其具有很高的可靠性、更簡單并具有更經(jīng)濟(jì)的成本。


利用一種超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)上述目的、這些目標(biāo)以及其它目的在下文將會(huì)很明顯，其特征在于，它包括至少一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)的壓電變壓器。本發(fā)明進(jìn)一步的特性和優(yōu)點(diǎn)將通過對(duì)本發(fā)明中的驅(qū)動(dòng)裝置較佳的而非唯一的實(shí)施方式的描述中變得清楚，其僅通過附圖中非限制性的例子來說明。其中，圖1是旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的分解透視圖；圖2是直線超聲電機(jī)的定子的示意圖；圖3是公知的用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明中的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的示意圖；圖5是應(yīng)用在圖4中的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置里的壓電變壓器的視圖；圖6是圖5中示出的壓電變壓器的透視圖；圖7是根據(jù)發(fā)明的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
參照上述圖，特別是參照?qǐng)D4，本發(fā)明中的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，如圖4大致所示的，其具有的特性在于它包括至少一個(gè)壓電變壓器以及更優(yōu)選地具有一對(duì)壓電變壓器，用于向超聲電機(jī)的端子供電。
在圖4中，再次以參考標(biāo)記1表示的超聲電機(jī)由本發(fā)明中以參考標(biāo)記30表示的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，其包括兩個(gè)壓電變壓器31，這兩個(gè)變壓器由振蕩波發(fā)生器32按順序驅(qū)動(dòng)。
該發(fā)生器由直流電源供電。
一個(gè)壓電變壓器由兩個(gè)電極組成，一個(gè)初級(jí)和一個(gè)次級(jí)，如圖6所示，其中初級(jí)電極由參考標(biāo)記33表示以及次級(jí)電極由參考標(biāo)記34表示。
通常情況下，壓電變壓器也可以具有多個(gè)次級(jí)電極并且為環(huán)形。
這些電極就像一個(gè)振動(dòng)器那樣一起工作而發(fā)生壓電振動(dòng)。當(dāng)初級(jí)電極發(fā)出一個(gè)普通的交流電壓頻率時(shí)，其中該頻率取決于尺寸大小、尤其是長度或取決于變壓器的限制條件，該電極利用壓電效應(yīng)的特性引起了強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，使次級(jí)電極發(fā)出一個(gè)高壓輸出提供給負(fù)載，在本實(shí)施例中為超聲電機(jī)。
反之也一樣，如果超聲電機(jī)需要一個(gè)比壓電變壓器的輸入電壓還要低的輸入電壓，該壓電變壓器也可以用來降低電壓。
圖5是已在圖6的透視圖中示出的壓電變壓器的示意圖。
圖7示出了適于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)1的壓電逆變器。
實(shí)質(zhì)上，依本發(fā)明的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，在本實(shí)施例中又包括一對(duì)壓電變壓器31，其由移相電路35和電壓控制積分振蕩器38驅(qū)動(dòng)，電壓控制積分振蕩器按順序接收輸入一個(gè)時(shí)鐘頻率f0，其中該頻率是對(duì)超聲電機(jī)1發(fā)出的反饋信號(hào)36處理的結(jié)果以及該反饋信號(hào)將輸入到電路37中用于檢測(cè)和控制超聲電機(jī)1的速度，電路37也接收輸入一個(gè)參考速度Vrif。
速度檢測(cè)和控制電路37按順序提供一個(gè)與預(yù)定速度成比例的信號(hào)，并輸入到電壓控制振蕩器38中，其按順序發(fā)出上述時(shí)鐘頻率f0。
該積分振蕩器提供預(yù)定頻率的低壓正弦和余弦信號(hào)，其驅(qū)動(dòng)壓電變壓器31工作，使壓電變壓器可以按順序達(dá)到超聲電機(jī)的所需電壓。
實(shí)質(zhì)上，本發(fā)明中的具有壓電變壓器的驅(qū)動(dòng)裝置可以提供具有高壓線圈繞組的變壓器的移動(dòng)，其中該變壓器具有更高的效率；從電子學(xué)的角度來看更簡單的驅(qū)動(dòng)電路；由于沒有電磁噪音而具有的更高的振蕩頻率精確度；以及同具有相等輸入電壓裝置相比具有更緊湊的結(jié)構(gòu)。
另外，壓電變壓器可以很方便的被采用，用于獲得DC/DC或DC/AC或AC/DC的逆變器，特別是在需要輸入或輸出高電壓和電鍍絕緣的時(shí)候。
如圖4所示的振蕩波發(fā)生器32實(shí)質(zhì)上由電壓控制積分振蕩器構(gòu)成，其可以提供輸出正弦和余弦波，例如為了向壓電變壓器供電并可輸出一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)該超聲電機(jī)1的電壓，這些波彼此移相90°。
在實(shí)際操作中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置足以完成這些預(yù)定目標(biāo)和目的，因?yàn)樗ㄟ^采用壓電變壓器和普通的壓電逆變器來驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)，使一臺(tái)超聲電機(jī)在驅(qū)動(dòng)精度和效率方面有很大的改善。
本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置尤其適于應(yīng)用于自動(dòng)電路斷路器中，主要是遙控型的，以及適于應(yīng)用于或是斷續(xù)的或是連續(xù)的高壓壓電激勵(lì)機(jī)構(gòu)中，特別是由于采用了當(dāng)前的壓電變壓器。因此，本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)涉及一種自動(dòng)電路斷路器，其特征在于，它包括一個(gè)由前面描述的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的超聲電機(jī)，以及一種用于高壓壓電激勵(lì)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，它包括至少一個(gè)壓電變壓器。
因此，所述的裝置允許各種調(diào)整和改變，所有的調(diào)整和改變均在本發(fā)明內(nèi)容范圍內(nèi)；所有的元件也可以進(jìn)一步由功能上相當(dāng)?shù)脑泶?。在?shí)際操作中，采用的材料可以是根據(jù)需要和技術(shù)領(lǐng)域選取的任何材料，只要它們能與具體應(yīng)用以及可能的形狀與尺寸相適應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，它包括至少一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)的壓電變壓器。
2.如權(quán)利要求1中的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，它包括一個(gè)壓電逆變器，該逆變器包括所述至少一個(gè)壓電變壓器。
3.如權(quán)利要求2中的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述壓電逆變器包括兩個(gè)壓電變壓器，其適于由可發(fā)出信號(hào)的元件驅(qū)動(dòng)，為了發(fā)出一對(duì)用于驅(qū)動(dòng)該超聲電機(jī)的電壓，這些信號(hào)移相90°。
4.如前述一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求中的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，它包括用于檢測(cè)和控制所述超聲電機(jī)速度的元件，所述元件適于接收輸入一個(gè)所述超聲電機(jī)的速度信號(hào)和一個(gè)參考速度信號(hào)，所述用于檢測(cè)和控制超聲電機(jī)速度的元件適于驅(qū)動(dòng)一個(gè)電壓控制振蕩器，電壓控制振蕩器輸出一個(gè)適于驅(qū)動(dòng)一個(gè)積分振蕩器的時(shí)鐘頻率，該積分振蕩器為了驅(qū)動(dòng)所述壓電變壓器按順序發(fā)出移相90°的所述信號(hào)。
5.如權(quán)利要求3中的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，每個(gè)所述壓電變壓器包括一個(gè)初級(jí)輸入電極和一個(gè)次級(jí)輸出電極。
6.如前述一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求中的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述超聲電機(jī)是旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)。
7.如前述一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求中的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述超聲電機(jī)是直線超聲電機(jī)。
8.一種自動(dòng)電路斷路器，其特征在于，它包括一個(gè)由前述一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求中的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的超聲電機(jī)。
9.一種用于高壓壓電激勵(lì)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，它包括至少一個(gè)壓電變壓器。
全文摘要
一種用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，它的特別之處在于它包括至少一個(gè)壓電變壓器用于驅(qū)動(dòng)一臺(tái)超聲電機(jī)。
文檔編號(hào)H01L41/107GK1554145SQ02802552
公開日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2002年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月23日
發(fā)明者P·曼杜里諾, M·卡皮塔, G·賽康多, C·斯普雷費(fèi)科, A·克拉文納, F·科洛姆波, E·諾爾茨尼, P 曼杜里諾, に , 刀, 哪, 綻追芽, 迥凡 申請(qǐng)人:Abb服務(wù)有限公司