專利名稱：環(huán)形壓電超聲諧振器和使用環(huán)形壓電超聲諧振器的壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)形壓電超聲諧振器，特別地，涉及一種環(huán)形壓 電超聲諧振器和使用該壓電超聲諧振器的壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過對(duì) 壓電陶瓷施加不同相位的交流電場(chǎng)，該電機(jī)能夠相對(duì)于環(huán)形諧振器產(chǎn) 生橢圓形的機(jī)械位移使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，壓電超聲電機(jī)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在低速階段，能夠直接 產(chǎn)生高扭矩，有快的響應(yīng)時(shí)間，能夠應(yīng)用在比較寬的速度范圍內(nèi)。進(jìn) 一步地，壓電超聲電機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，在發(fā)動(dòng)機(jī)和定子的壓力控 制下不會(huì)滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精密的位置控制，且能夠產(chǎn)生高的輸出。所 述壓電超聲電機(jī)被使用在旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)和直線發(fā)電機(jī)中。同時(shí)，環(huán)形的 壓電超聲諧振器使用在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，作為旋轉(zhuǎn)電機(jī)的諧振器可以應(yīng)用 在不同領(lǐng)域，例如，照相機(jī)透鏡驅(qū)動(dòng)電機(jī)，公用電話使用的接收卡片 的電機(jī)，交通工具中的折疊側(cè)視鏡使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，交通工具中活動(dòng) 車頭的能量來源，繞線窗簾的纏繞電機(jī)，遙控立體聲中的音量電機(jī)等 等，所述壓電超聲電機(jī)的諧振器使用環(huán)形諧振器。
以下結(jié)合圖1詳細(xì)描述現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)形壓電超聲諧振器。圖1 為傳統(tǒng)的環(huán)形壓電超聲諧振器的平面圖，從圖中可以看出，環(huán)形壓電
超聲諧振器的壓電陶瓷分割為許多的片段。大量片段10的長(zhǎng)度為施 加電場(chǎng)波長(zhǎng)的1/2,并且被交替極化。所述大量片段之一是第一虛擬 部分11,其波長(zhǎng)為施加電場(chǎng)波長(zhǎng)的3/4且未被極化。第二虛擬部分 12,該片段正對(duì)第一虛擬部分ll,其波長(zhǎng)為所加電場(chǎng)波長(zhǎng)的1/4,且 未被極化。
4具有卯0相位差的正弦波交流電場(chǎng)施加于所述第一虛擬部分11
和第二虛擬部分12的兩邊。換句話說，在圖中，Asinwt交流電場(chǎng)施 加于片段1，該片段1位于第一虛擬部分11和第二虛擬部分12的右 邊，Acoswt交流電場(chǎng)施加于第一虛擬部分11和第二虛擬部分12左 邊的片段10。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，每一個(gè)片段都振動(dòng)。由于第一虛擬部 分11和第二虛擬部分12的長(zhǎng)度不同，片段之間的振動(dòng)受到干擾形成 行波。也就是說，如果所有片段的長(zhǎng)度都相同，認(rèn)為形成駐波，然而 第一虛擬部分11和第二虛擬部分12形成一個(gè)行波。
如上述所說的傳統(tǒng)的壓電超聲諧振器，由于在沒有施加電場(chǎng)時(shí)虛 擬部分被動(dòng)地振動(dòng)，引起每一點(diǎn)的扭矩不一致帶來較多問題，并且， 由于所述虛擬部分輸出為零，因此諧振器的總輸出降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種環(huán)形壓電超聲諧振器，能夠在每一點(diǎn)提 供相同的轉(zhuǎn)矩，并通過設(shè)置相同大小的環(huán)形壓電陶瓷片段而不形成虛 擬部分來提供高的輸出。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種環(huán)形壓電超聲諧振器，包括壓 電陶瓷，分割為用于所施加交流電場(chǎng)的每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的片段，其
中所述壓電陶瓷在包含兩個(gè)片段的極化單元中交替被極化；以及正弦 波交流電場(chǎng)，與該正弦波交流電場(chǎng)有預(yù)定相位差的正弦波交流電場(chǎng)交 替施加于所述每一個(gè)片段。
進(jìn)一步地，所述壓電陶瓷的片段的數(shù)量是4的整數(shù)倍。 進(jìn)一步地，所述壓電陶瓷的每一個(gè)片段施加的正弦波交流電場(chǎng)，
與相鄰片段的正弦波交流電場(chǎng)有90。的相位差。
優(yōu)選地，所述第一電極形成于極化單元的第一片段外側(cè)，所述第 二電極形成于極化單元的第二片段的里側(cè)，所述第一電極和第二電極 一個(gè)接一個(gè)地交替連接于所述片段。此外，若施加于第一電極的正弦 交流電場(chǎng)比施加于第二電極的正弦交流電場(chǎng)的相位相差落后90°，所述壓電陶瓷產(chǎn)生順時(shí)針方向的行波，若施加于所述第一電極的正弦交 流電場(chǎng)比施加于所述第二電極的正弦交流電場(chǎng)的相位超前卯。，所述 壓電陶瓷產(chǎn)生逆時(shí)針方向的行波。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，提供一種壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī),包括
環(huán)形壓電超聲諧振器，分割為4的整數(shù)倍，用于施加電場(chǎng)的每個(gè)四分 之一波長(zhǎng)的片段；定子，連接于所述諧振器并傳播該諧振器的振動(dòng)； 轉(zhuǎn)子，依據(jù)所述定子的振動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)軸，配置在所 述轉(zhuǎn)子的中心；以及外殼，用于容納所述諧振器，定子，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn) 軸，所述旋轉(zhuǎn)軸突出于所述外殼；其中所述諧振器在包含兩個(gè)片段的 極化單元中被交替極化，以及，正弦波交流電場(chǎng)，與該正弦波交流電 場(chǎng)有90。相位差的正弦波交流電場(chǎng)交替施加于所述片段。
優(yōu)選地，連接于所述轉(zhuǎn)子的下部并與所述定子直接接觸的摩擦環(huán)。
進(jìn)一步地，所述定子包括連接于諧振器的底部部分，以及從底部 部分向轉(zhuǎn)子突出的突出部分，當(dāng)所述突出部分與所述摩擦環(huán)接觸時(shí)， 所述突出部分變形為摩擦環(huán)提供摩擦力。
而且，所述壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)，進(jìn)一步包括擠壓所述轉(zhuǎn)子到所述 定子的板簧。


結(jié)合相關(guān)附圖以及本發(fā)明的相關(guān)實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述以 及其它目的及特征將更加顯著，其中
圖i為現(xiàn)有的環(huán)形壓電超聲諧振器的平面圖2本發(fā)明的 一個(gè)環(huán)形壓電超聲諧振器的實(shí)施例的平面圖3是圖2所述的環(huán)形壓電超聲諧振器在施加電場(chǎng)時(shí)的振動(dòng)位移
圖4顯示的是圖2所述的環(huán)形壓電超聲諧振器隨時(shí)間變形的透視
6圖5是圖2所述的環(huán)形壓電超聲諧振器以相反的方式施加電場(chǎng)時(shí)
隨時(shí)間變形的透視圖6是使用本發(fā)明壓電超聲諧振器的壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)的橫截
面視圖；以及
圖7A和7B提供了利用本發(fā)明的壓電超聲諧振器來旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的過 程的橫截面視圖。 附圖標(biāo)記說明
101 壓電超聲諧振器102定子
102a底部部分102b突出部分
103 摩擦環(huán)104轉(zhuǎn)子
105板簧106旋轉(zhuǎn)軸
107 外殼108軸承
109 導(dǎo)線110片段
120 第一電極130第二電極
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖2至附圖6進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明環(huán)形壓電超聲諧 振器。
圖2本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例的環(huán)形壓電超聲諧振器的平面圖。圖2 中的環(huán)形壓電超聲諧振器101擠壓定子102,因而，諧振器101的振 動(dòng)傳播給定子102。諧振器101的行波在定子102中形成，并且所述 行波轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜谵D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力(圖中未示出)。環(huán)形壓電超聲諧 振器IOI包括壓電陶瓷，分割為施加電場(chǎng)的每一個(gè)四分之一波長(zhǎng)的片 段，其中片段IIO成對(duì)的被交替極化。壓電超聲諧振器101周長(zhǎng)為施 加電場(chǎng)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。因此，壓電陶瓷周長(zhǎng)為施加電場(chǎng)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。 設(shè)在片段110的外側(cè)的第一電極120被施加正弦波交流電場(chǎng)，并且設(shè) 在相鄰片段110的內(nèi)側(cè)的第二電極130被施加相位落后于第一個(gè)電極 所施加正弦波交流電場(chǎng)的相位90°的正弦波交流電場(chǎng)。在該實(shí)施例中，
7片段110成對(duì)的被交替極化。在圖中，(+ )或(_)代表的是陶瓷垂 直極化的狀態(tài)。如果兩個(gè)鄰近的片段在相同方向上被極化，接下來的
兩個(gè)相鄰片段在與上述片段相反方向上被極化。Asinwt交流電場(chǎng)施加 在片段110的內(nèi)側(cè)，且Acoswt交流電場(chǎng)施加在鄰近片段110的外側(cè)。 所述電場(chǎng)交替施加在每一個(gè)片段上。也就是說，當(dāng)一個(gè)正弦波交流電 流施加在一個(gè)片段上，交流電流的相位比施加在鄰近片段上的正弦波 交流電流的相位超前或落后90°?？傊?，負(fù)極(-)和一個(gè)正弦波，正 極(+ )和一個(gè)余弦波，正極(+ )和一個(gè)正弦波，負(fù)極(-)和一個(gè) 余弦波依次連續(xù)相應(yīng)。
圖3是圖2所述的環(huán)形壓電超聲諧振器施加電場(chǎng)的振動(dòng)位移圖， 由圖2中所示的偏振態(tài)和電場(chǎng)的連續(xù)排列所形成的位移可以被表述 為如下公式
《"x，t) = Ae^coskx 公式(1 )
g2(x，t) = Ae"'緣^cosk(x+V4) 公式(2)
《3(x，t) = Ae^+"cosk(x十V2) 公式(3 )
《3(x,t) = Ae^+3^cosk(x+3入/4) 公式(4 )
其中，A表示振幅，t表示時(shí)間，w表示角頻率，k(^w/c)表示
波數(shù)，c表示波的移動(dòng)速度，X表示波長(zhǎng)。
圖3顯示了這樣的位移，如圖所示，每一個(gè)片段隨時(shí)間改變的位
移和振動(dòng)。至于最大振幅的位置，環(huán)形壓電超聲諧振器的振動(dòng)可以看
到的是以S方向傳播的行波。
優(yōu)選地，壓電陶瓷諧振器由層疊在金屬或類似金屬的彈性基質(zhì)表
面上的陶瓷壓電材料形成。然而，該結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)中是公開的，因
此，該處不再對(duì)此詳細(xì)描述。
以下結(jié)合圖4和圖5詳細(xì)描述本發(fā)明的環(huán)形壓電超聲諧振器的具
體操作方式和效果。
圖4所示的是圖2中的環(huán)形壓電超聲諧振器隨時(shí)間變形的透視
8圖；且圖5所示的是，當(dāng)施加正弦波交流電場(chǎng)的第一電極的相位超前 施加正弦波交流電場(chǎng)的第二電極的相位90。時(shí)，圖2中的環(huán)形壓電超 聲諧振器隨時(shí)間變形的透視圖。
當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，所述環(huán)形壓電超聲諧振器變形。由于所施加電場(chǎng) 是具有預(yù)定周期的正弦波形式，因此所述變形也以預(yù)定周期振動(dòng)。正 如上述描述的，振動(dòng)是一個(gè)行波。
圖4顯示一個(gè)實(shí)施例中Acoswt交流電場(chǎng)施加在極化單元的第一 片段，所述極化單元包括具有相同極性的所述壓電陶瓷的片段中兩個(gè) 片段，并且Asinwt交流電場(chǎng)施加在極化單元的第二片段。在該實(shí)施 例中，波是沿順時(shí)針方向傳播。
相對(duì)的，圖5顯示的實(shí)施例Asinwt交流電場(chǎng)施加在極化單元的 第一片段，并且Acoswt交流電場(chǎng)施加在極化單元的第二片段，在本 實(shí)施例中，波的傳播沿逆時(shí)針方向。換句話說，電場(chǎng)的改變能夠改變 旋轉(zhuǎn)的方向，因此能夠有效控制旋轉(zhuǎn)的方向。
環(huán)形壓電超聲諧振器所有的片段都有相同的間隔，因而易于生 產(chǎn)。此外，由于沒有使用虛擬部分，該諧振器有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是 由于所有片段的振動(dòng)導(dǎo)致的輸出量增加。
以下結(jié)合圖6至圖7B將詳細(xì)描述使用本發(fā)明的壓電超聲諧振器 的壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
圖6顯示使用本發(fā)明的環(huán)形壓電超聲諧振器的壓電超聲旋轉(zhuǎn)電 機(jī)的橫截面視圖，且圖7A和7B是使用本發(fā)明的環(huán)形壓電超聲諧振 器旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的過程的橫截面視圖。
如圖6至圖7B所示， 一個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)模塊包括環(huán)形壓電超聲諧 振器101,連接環(huán)形壓電超聲諧振器101的定子102，圓盤狀的轉(zhuǎn)子 104，連接轉(zhuǎn)子104和定子102的摩擦環(huán)103接收摩擦力，并為轉(zhuǎn)子 104提供一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力，板簧105，擠壓轉(zhuǎn)子104到定子102，以及旋 轉(zhuǎn)軸106。尤其是，定子102包括接觸環(huán)形壓電超聲諧振器101的底部部分102a和來自底部部分102a并向轉(zhuǎn)子104突出的突出部分 102b。所述突出部分102b與摩擦環(huán)103接觸并變形，從而為摩擦環(huán) 103提供摩擦力。
旋轉(zhuǎn)模塊嵌入在電機(jī)的外殼107中，并且旋轉(zhuǎn)軸106由外殼107 中的軸承108旋轉(zhuǎn)支撐。環(huán)形壓電超聲諧振器101連接于外殼107, 由導(dǎo)線109提供電場(chǎng)。電場(chǎng)的供給也可以通過使用PCB提供。
如圖7A和7B所示，突出部分102b依據(jù)行波為圓盤狀轉(zhuǎn)子104 提供摩擦力。轉(zhuǎn)子104通過板簧105被施加載荷P。圖7A顯示的是 最初狀態(tài)，圖7B顯示的狀態(tài)是，定子102隨著環(huán)形壓電超聲諧振器 的變形而變形，因此，轉(zhuǎn)子104被移動(dòng)。由于振動(dòng)產(chǎn)生的行波使定子 不旋轉(zhuǎn)但是發(fā)生變形。當(dāng)突出部分102b通過定子102的變形向上移 動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子104被預(yù)先設(shè)定的壓力P擠壓，同時(shí)，突出部分102b在 旋轉(zhuǎn)方向上變形并且在旋轉(zhuǎn)方向給摩擦環(huán)103提供一個(gè)摩擦力。摩擦 環(huán)103和與其連接的轉(zhuǎn)子104由突出部分102b的變形所推動(dòng)，和從 而在旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生一個(gè)位移，因而，使轉(zhuǎn)子104轉(zhuǎn)動(dòng)。如上所述的旋 轉(zhuǎn)電機(jī)相比較現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)有一個(gè)高的輸出和強(qiáng)的扭矩，并且 能夠精確控制。
依據(jù)本發(fā)明，通過在壓電陶瓷中分割壓電陶瓷為相同的部分而沒 有形成虛擬部分，交替極化所述包含有兩個(gè)片段的極化單元中的每一 個(gè)片段，以及交替施加相位差為卯。的正弦波交流電場(chǎng)在每個(gè)片段上， 使得每一點(diǎn)的能量一致，并且諧振器的輸出增加。
本發(fā)明的具體實(shí)施例顯示和詳細(xì)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員應(yīng)當(dāng)清楚的了解本發(fā)明實(shí)施例的各種變化和修飾不脫離本發(fā)明的 范圍，都應(yīng)包括在相應(yīng)的權(quán)利要求中。
10
權(quán)利要求
1、一種環(huán)形壓電超聲諧振器，包括壓電陶瓷，分割為用于施加交流電場(chǎng)的每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的片段，其中所述壓電陶瓷在包含兩個(gè)片段的極化單元中被交替極化，以及正弦波交流電場(chǎng)，以及與該正弦波交流電場(chǎng)有預(yù)定相位差的正弦波交流電場(chǎng)交替施加于所述每一個(gè)片段。
2、 如權(quán)利要求1所述的環(huán)形壓電超聲諧振器，所述壓電陶瓷的 片段的數(shù)量是4的整數(shù)倍。
3、 如權(quán)利要求1所述的環(huán)形壓電超聲諧振器，所述壓電陶瓷的 每一個(gè)片段施加的正弦波交流電場(chǎng)，與相鄰片段的正弦波交流電場(chǎng)有 90°的相位差。
4、 如權(quán)利要求1所述的環(huán)形壓電超聲諧振器，所述第一電極形 成于極化單元的第一片段外側(cè)，所述第二電極形成于極化單元的第二 片段的里側(cè)，所述第一電極和第二電極一個(gè)接一個(gè)的交替連接于所述 片段，以及若施加于所述第一電極的正弦交流電場(chǎng)比施加于所述第二電極 的正弦交流電場(chǎng)的相位差落后90°,所述壓電陶瓷產(chǎn)生順時(shí)針方向的 行波，若施加于所述第一電極的正弦交流電場(chǎng)比施加于所述第二電極 的正弦交流電場(chǎng)的相位差超前90°,所述壓電陶瓷產(chǎn)生逆時(shí)針方向的 行波。
5、 一種壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括環(huán)形壓電超聲諧振器，分割為4的整數(shù)倍的用于施加電場(chǎng)的每個(gè) 四分之一波長(zhǎng)的片段；定子，連接于所述諧振器并傳播該諧振器的振動(dòng)； 轉(zhuǎn)子，依據(jù)所述定子振動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)軸，配置在所述轉(zhuǎn)子的中心；以及外殼，用于容納所述諧振器，定子，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸突出于所述外殼；其中所述諧振器在包含兩個(gè)片段的極化單元中被交替極化，以及 正弦波交流電場(chǎng)，以及與該正弦波交流電場(chǎng)有90。相位差的正弦波交流電場(chǎng)交替施加于所述片段。
6、 如權(quán)利要求5所述的壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括連接于所述 轉(zhuǎn)子的下部并與所述定子直接接觸的摩擦環(huán)。
7、 如權(quán)利要求6所述的壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述定子包括連 接于所述諧振器的底部部分，以及從底部部分向轉(zhuǎn)子突出的突出部 分，當(dāng)所述突出部分與所述摩擦環(huán)接觸時(shí)，所述突出部分變形為摩擦 環(huán)提供摩擦力。
8、 如權(quán)利要求5所述的壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)，進(jìn)一步包括擠壓 所述轉(zhuǎn)子到所述定子的板簧。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種環(huán)形壓電超聲諧振器和使用該壓電超聲諧振器的壓電超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)。所述環(huán)形壓電超聲諧振器包括壓電陶瓷，分割為用于施加交流電場(chǎng)的每個(gè)四分之一波長(zhǎng)的片段，其中壓電陶瓷在包含兩個(gè)片段的極化單元中被交替極化，正弦波交流電場(chǎng)，以及與該正弦波交流電場(chǎng)有預(yù)定相位差的正弦波交流電場(chǎng)交替施加于所述每一個(gè)片段。進(jìn)一步地，壓電陶瓷的片段的數(shù)量是4的整數(shù)倍。更重要的是，所述壓電陶瓷的每一個(gè)片段上施加的正弦波交流電場(chǎng)與相鄰片段上的正弦波交流電場(chǎng)具有90°的相位差。
文檔編號(hào)H03H9/15GK101562438SQ20081018095
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者姜鍾允, 宋昡澈, 尹錫珍, 金賢在 申請(qǐng)人:韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院