CN1589505A - 包括设置在谐振器内的压电元件的压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电马达，它包括至少一个压电元件(1)和至少一个谐振器(2)，其中压电元件(34)的一个表面与谐振器(56)的至少一个表面是互联的。该压电元件(1)优选是单片多层致动器。本发明还涉及生产根据本发明的压电马达的几种方法。
Description
本发明涉及一种包括至少一个压电元件和至少一个谐振器的压电马达，其中压电元件的至少一个表面与谐振器的至少一个表面是互联的。本发明还涉及生产根据本发明的压电马达的几种方法。
对于小型电磁马达来说，压电马达代表一种替代的驱动装置方案，电磁马达通常噪声太大和/或太昂贵。这些压电马达包括至少一个在电压作用下可双向膨胀的压电元件，因此当施加一交变电压时，可产生一，例如，传递到谐振器的振动。由于压电元件的膨胀通常为几微米或更小，所以现有技术的压电元件需要包括彼此必须精确地平行的非常光滑的表面。对于一个，例如，已经用一种生产陶瓷电容器(以下称之为陶瓷电容器生产方法)的方法制造的压电元件，这些表面只能通过磨削来达到。但是，表面的这种磨削成本很高且伴随很大的废品率所以包括这种压电元件的压电马达只在工业装置中受到有限的关注。
因此，本发明的任务就是提供一种不具有现有技术的缺点的压电马达。
根据本发明，本任务就是以一种包括至少一个压电元件和至少一个谐振器的压电马达来解决问题，其中压电元件的至少一个表面和谐振器的至少一个表面是互联的同时在未烧结时压电元件被成型且其表面在烧结后不再磨削。
根据本发明使用的压电元件是，例如，按照所谓陶瓷电容器生产方法而生产的。在此方法中，首先制成一种包括陶瓷粉末，粘结剂和添加剂的混合物，然后将该混合物施加到一薄膜上。接着，将此薄膜切成单个的层并将处于二陶瓷层之间的电极印刷于其上。该印刷的陶瓷层随后被叠置并压紧在一起。之后，各个称为未处理的，即未烧结的，压电元件从这些叠层上切下。在切割之后，首先加热这些叠层以便从压电元件中去除粘结剂。在另一个炉子里面，然后将该压电元件在优选为＞800℃的温度烧结。之后，如果需要，将压电元件的边缘在，例如，旋转桶中敲掉。此方法在，例如，Technical InformationMultilayer Ceramic Capacitor-Materials and Manufacture，Manfred Kahn，AVX Corporation，Myrtle Beach，SC，U.S.A中加以描述，此处作为参考文献引入该资料，并因此被看作本发明的一部分。
用这种制造方法形成的压电元件具有包括凸起的表面。此外，优选是平行六面体的该压电元件的表面彼此不是精确地平行。根据本发明，这些表面在装配成压电马达之前不再磨削。对技术人员来说一定十分惊奇且完全意想不到用这种压电元件可能制造压电马达，因此该压电马达展现可重现的振动特性。
可以容易地制造该压电马达。由于压电元件的废品率已经降低，所以与根据本发明的压电元件制造相关的废品量也同等地小。
根据本发明，该压电元件的至少一个表面与谐振器互联。在一优选实施例中，压电元件的至少二个表面与谐振器互联。该联结可以是一种形状配合、力配合和/或化学结合。但是，优选是，该联结不是整个表面的形状配合、力配合和/或化学的结合而仅仅是其部分的结合。特别优选的是，表面部分的结合是一种力配合。
在本发明的一种优选构形中，压电元件和谐振器之间的联结不包括，诸如，胶水、环氧树酯、橡胶、聚合物等附加的填充材料。该联结在不使用由，例如，陶瓷、金属或技术人员熟悉的类似材料制成的垫片或其它安装辅助物的条件下制成也是有利的。
根据本发明，压电元件包括在其外表面上的不平度或粗糙度。该不平度或粗糙度优选是＞1微米，特别优选是＞10微米，最优选是＞100微米。
该压电元件可具有技术人员常用的任何形状。但是在一优选的实施例中，该压电元件基本上具有一板形、圆柱形、或平行六面体形，同时它具有至少二相对的侧面，优选是二相对的、不相互精确平行的平面接触面。
在本发明的优选实施例中，该谐振器包括基本上的二维形状，其中该谐振器的几何形状沿空间方向是不变化的，该空间方向基本上垂直于被主要表面所在的无限平面。但是技术人员应理解，该二维原理即使当包括小的偏差(例如，采用倒角的边缘或圆角)时也是适用的。
根据本发明的压电马达展现良好的可重现振动特性。如果激发压电元件以某种型式振动，同时如果振动传递到谐振器中，工作的优化频率相对于同样设计的大量生产的马达的平均工作频率的标准偏差优选是＜20％、特别优选＜5％、特殊优选＜1.5％、最优选＜0.6％、最优选＜0.1％。如果激发压电元件以某种型式振动同时该振动传递到谐振器中，得到的谐振器振幅相对于全部大量生产的马达的平均工作振幅的标准偏差优选是60％、特别优选＜40％、特殊优选＜15％、以最优选＜5％。
该压电马达可以有一任意尺寸及据此有任意最大行程。但压电元件的最大行程优选是＜10微米、特别优选＜2微米、特殊优选＜0.5微米、最优选＜0.1微米。
在本发明的一优选实施例中，分别为简化压电元件装入谐振中以及为了在谐振器和压电元件之间形成一清晰限定的接触面，压电元件表面和/或将压电元件与谐振器互联的谐振器表面是倾斜的。
在另一优选的实施例中，至少一个压电元件和/或将压电元件与谐振器互联的一个谐振器表面包括至少一个凸起，它在压电元件和谐振器之间形成一清晰限定的接触面。所述凸起优选不要设置在压电元件和/或谐振器的相对应的接触面的中央。
压电元件和优选是杆状谐振器互联的表面的位置优选用公式B/(A-B/2)＜1、优选＜0.3来确定，式中B是所述表面的宽度，而A是与中间位置纤维的最大距离。该中间位置纤维是在谐振器内沿着纯弯曲载荷应力为零的一条线。
优选压电元件表面和/或将压电元件与谐振器互联的谐振器表面的至少部分是凸出的。
根据本发明的压电马达的压电元件优选具有一单片多层结构，其中电极优选分层布置在压电元件中二陶瓷片之间。在本发明优选的实施例中，该电极至少主要由铜构成。
在本发明的另一优选实施例中，压电元件包括二传输端子以便将至少一个电信号传输到压电元件。此处端子被考虑用作传输来自激励源的信号的电导线和压电元件之间的连接。在本发明特别优选的实施例中，第一信号被传递到压电元件时，该压电元件被激励而以第一模式振动。因此谐振器的接触部分在第一方向振动。同样，当第二电信号被传递到压电元件时该谐振器被激励而在第二方向振动。
该接触部分实现宏观可见的运动，此运动对驱动被驱动的物体是必需的。因此对此致动不需要附加机构或部件。在本发明的优选实施例中，该谐振器到被驱动件恰好包括一接触部分。
在本发明的一优选实施例中，当两个不同的信号传递到压电元件时由压电马达驱动的装置在二个不同方向上移动。在本发明的一特别有利的实施例中，因而被驱动的物体在二相反方向运动。
这样，该电信号优选是一正弦波或方波信号。然而不要求产生一基本是锯齿形的激励信号。
根据本发明的压电马达优选以与谐振器的某一频率相接近的频率运转。更优选的是，以一个压电元件及一次仅一个电激振，能够在二不同频率产生谐振器的二个运动并因此产生被驱动装置的二个相反的运动。
在一优选实施例中，该压电元件配置的宽度比与其互联的谐振器接触面积的宽度稍宽，因此压电元件从谐振器一边伸出，最好从二边伸出。该压电元件的宽度比所述谐振器接触面积的宽度优选大1.1到10倍，特别优选3到5倍。
根据本发明的压电马达的更优选的一实施例，该压电元件仅在外电极的附近包含绝缘部分。此实施例具有要求制造压电元件的压电材料较少的优点。该压电马达具有进一步的优点是当供给的电压大小降低时，压电元件的边界区域不膨胀或者仅显示出有限的膨胀。根据本发明的马达的更大优点是当提供一电压时包括绝缘区域的压电元件仅在外电极附近主要以二维方式产生变形。
根据本发明的压电马达可以包括任一压电元件，对于该压电元件在烧结之后至少是将压电元件与谐振器互联的接触表面是不磨削的。但是该压电元件优选具有单片多层结构，包括至少两陶瓷层的一叠置层，且在每对陶瓷层之间放置电极层。此多层的压电元件优选是用生产陶瓷电容器的方法制造。
根据本发明的压电马达的更优选的压电元件只包括一个或没有外电极。事实上，谐振器起着外电极的作用。此作用通过在陶瓷层之间有电极和谐振器的至少一个表面直接接触而达到的，在这种情况下该谐振器必须要用导电材料制造，优选是金属材料，特别优选是铜或主要含铜的金属。此实施例特别简单且造价低廉。为确保电接触，如有必要可在谐振器和压电元件之间填入导电的金属填充物。
该压电元件优选压装入谐振器内这样至少谐振器的一部分产生弹性变形和/或塑性变形，优选是塑性变形，因而谐振器自身至少部分地适应压电元件的不平度。谐振器与压电元件互联的接触范围内的等效应力优选至少局部地优选＞100牛顿/毫米2，特别优选＞250牛顿/毫米2，最优选＞300牛顿/毫米2。
对于根据本发明的压电马达，在组装或运转时使压电元件受一预先确定的弯曲载荷通常更有利。根据本发明的马达的压电元件可以用较松的尺寸公差来制造。
根据本发明的压电马达具有易生产且生产成本低以及在制造时只会产生少量废品的优点。特别是可以使用不经过麻烦的磨削加工的压电元件。
本发明的进一步任务是生产根据本发明的压电马达的方法，其中压电元件只在安装之后被极化。装配可用形状配合、力配合或是化学结合形成。
此种方法具有在装配时压电元件显示比较小的膨胀的优点，因此，能更易于压装。
本发明进一步的任务是生产根据本发明的压电马达的方法，其中压电元件在装入谐振器之前不被极化。装配可用形状配合、力配合或化学的结合。
此种方法具有在装配时压电元件显示比较小的膨胀的优点，因此，能更易于压装。
本发明的进一步任务是生产根据本发明的压电马达的方法，其中压电元件至少在装入谐振器时是处于短路状态。
此方法具有在装配时压电元件显示较小膨胀的优点，并因此能更易于压配合。此外，压电元件比较软，因此，能更易于压配合。
本发明的另一目的是生产根据本发明的压电马达的方法其中压电元件在其装入谐振器之前被极化然后施以与极化相比是负的电压。
此方法具有在装配时压电元件显示较小膨胀的优点，因此，能更易于压配合。此外，该压电元件比较软并因此能更易于压配合。
下面，用图1到图7解释本发明。这些解释仅以举例的方式进行且不限制一般有创造性的想法。显然对于技术人员来说这些解释仅是概略的。
图1表示一谐振器/压电元件副。
图2A至2F分别表示压电元件或谐振器的互联接触面的不同实施例。
图3表示包括凸起的谐振器。
图4表示一谐振器/压电元件副，其中压电元件的宽度稍大于谐振器的宽度。
图5表示仅在外部电极的附近包括绝缘区域的陶瓷层。
图6表示一包括凸起的谐振器。
图7a-c表示谐振器接触面的不同实施例。
图1表示根据陶瓷电容器生产方法生产的压电元件1。此压电元件包括将该压电元件与谐振器的表面5、6至少部分形状配合地互联的两个表面3、4。该表面3、4是不平的和/或相互不平行的。
图2A到图2F表示切过不同实施例的压电元件与谐振器互联的接触面的示意图，该示意图表示可能包括不规则接触表面3、4的压电元件。处于彼此连接的所切表面以外的谐振器的各部分对于技术人员是很清楚的。谐振器左右的波浪线表示切断。
在图2A中，压电元件1有一很窄的形状并包含锥形的末端。此外，表面5、6包括凸起7因此压电元件与谐振器只是沿着一可能中断的线接触。
图2B表示本发明的一实施例，其中压电元件包括凸起7，其表面与谐振器的表面5、6互联。该凸起7与表面5、6连接。在本发明的实施例中，结果是在压电元件和谐振器之间有一清晰地限定的接触面。
图2C基本上与图2B对应，在此情况下凸起设置在谐振器上。对技术人员来说很显然紧靠着谐振器互联接触表面的压电元件表面有一中央稍微凸出的形状。
图2D基本上与图2C对应，在此情况下凸起形成在表面5、6上如图2F所示。此形状便于压电元件装入谐振器。
图2E表示谐振器和包括凸形表面3、4的压电元件的组合。在此构形中，由于压电元件相对于谐振器的偏置排列限制了接触表面的位置。
图2F表示一凸起7的特殊实施例。在其尖部，该凸起包括与压电元件互联的一平面。
由图2A-F的例子，在谐振器上凸起7可非对称地排列同时压电元件在谐振器内可非水平地排列，这对技术人员来说是明显的。
图3表示根据本发明的压电马达的另一实施例。表面3、4直接与设置在谐振器表面5、6上的凸起7互联接触。B表示该凸起的宽度。该凸起到处于谐振器中间的中间部分的最大距离以A表示。
图4表示沿着根据本发明的实施例马达的对称平面的断面图，其中压电元件1具有稍大于谐振器2的宽度8’的宽度8。单独的电极层11、11’画在压电元件1中。根据本发明的压电马达的实施例具有以下优点，仅压电元件的中心部分与谐振器及其外部区域相互作用，在该处绝缘区防止外部电极9、10的短路同时电极被放置在不与谐振器直接相互作用的位置。
图5表示以阴影线表示二陶瓷层与对应的电极层11、11’。该陶瓷层包含相互偏移的分别防止陶瓷层11和外部电极10以及电极层11’和外部电极9之间短路的绝缘层12、13。技术人员很清楚各层在边界区域14、15中不包含绝缘层。
图6表示谐振器2的二个视图，该谐振器包括在其间安装压电元件(未表示)的二表面5、6上的凸起7。在此情况中，通过去除包围凸起的材料而形成所述凸起。
图7a-c表示谐振器表面5、6可能的另外三种构形。在图7a中，表面5、6的每一个包括为便于安装压电元件的斜面9。为了装配，该压电元件是从下而上推入谐振器，用箭头表示。图7b表示包括二个凸起7的谐振器。该二凸起在垂直方向彼此偏移，因此左侧凸起设置得略高于右侧凸起。因而，在压电元件上形成不同的接触点。但是，压电元件是水平的。图7c基本上与图7b的实施例对应，只是在此例中压电元件不是水平的。
Claims (32)
1.一种压电马达，包括至少一个压电元件(1)和至少一个谐振器(2)，其中压电元件(1)的至少一个表面(3、4)与谐振器(2)的至少一个表面(5、6)互联，其特征在于，压电元件在未烧结时成型且烧结之后其表面(3、4)不再磨削。
2.根据权利要求1的压电马达，其特征在于，压电元件是采用生产陶瓷电容器的方法制造的。
3.根据权利要求1或2的压电马达，其特征在于，压电元件(1)的至少二个表面(3、4)与谐振器(2)的至少二个表面(5、6)互联。
4.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，表面(3、4)与表面(5、6)之间的联结仅为部分的形状配合、力配合、或化学结合。
5.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，该表面(3、4)具有的不平度＞1微米，优选＞10微米，特别优选＞100微米。
6.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，该压电元件主要有平板形、圆柱形、或平行六面体形和至少有二个相对的侧面不是相互准确平行的平表面。
7.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，以某种型式激发压电元件振动并将此振动传递到谐振器，其特征在于所选择的工作谐振频率相对于所选择的平均工作谐振频率的标准偏差＜20％，优选＜5％，特别优选＜1.5％，特殊地优选＜0.6％，以及最优选＜0.1％。
8.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，以某种型式激发压电元件振动并将此振动传递到谐振器，其特征在于，所得的谐振器振幅相对于平均幅值的标准偏差＜60％，优选＜40％，特别优选＜15％，特殊地优选＜5％。
9.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，压电元件的最大行程＜10微米，优选＜2微米，特别优选＜0.5微米，特殊地优选＜0.1微米。
10.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，该压电元件(1)具有单片多层结构，优选包括平行的铜电极。
11.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，包括一压电元件(1)，该压电元件具有将激励源的电信号传输到压电元件(1)的二个端子。
12.根据权利要求11的压电马达，其特征在于，压电元件(1)是可以通过传递到压电元件(1)的第一电信号激励而以第一模式振动，还可以通过传输到压电元件(1)的第二电信号激励而以第二模式振动。
13.根据权利要求12的压电马达，其特征在于，该电信号是一正弦波或方波信号，但不是锯齿形信号。
14.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，一物体可以借助传递到压电元件(1)的二个信号在二个方向可驱动的压电马达来驱动。
15.根据权利要求14的压电马达，其特征在于，被驱动物体可在二个相反的方向被驱动。
17.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，表面(3、4)和/或表面(5、6)有一斜面(9)。
18.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，表面(3、4)和/或表面(5、6)包括至少一个凸起(7)。
19.根据权利要求18的压电马达，其特征在于，该凸起(7)不是设置在中央。
20.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，压电元件与谐振器互联的表面的位置由公式Q＝B/(A-B/2)＜1确定，优选＜0.3，其中B是所述表面的宽度，A是其形成中间位置纤维的最大距离。
21.根据权利要求1-10之一或19的压电马达，其特征在于，表面(3、4)和/或表面(5、6)优选在压电元件与谐振器互联的区域内至少部分地有一凸起形状。
22.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，它是在与它的谐振频率相接近的频率工作，其中在以单一压电元件和每次仅一次电激发的二个不同频率下产生谐振器的二个运动。
23.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，表面(3、4)的宽度比表面(5、6)的宽度大。
24.根据权利要求23的压电马达，其特征在于，表面(3、4)的宽度(8)比表面(5、6)的宽度(8’)大1.1-10倍，优选大3-5倍。
25.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，压电元件只在外部电极的附近包括绝缘区域。
26.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，压电元件具有单片多层结构，它包括至少二层陶瓷层的叠层，在每一对陶瓷层之间插有电极层。
27.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，每一表面(5、6)是压电元件的外部电极。
28.根据上述权利要求之一的压电马达，其特征在于，压电元件是以谐振器弹性变形和/或塑性变形的方式压配合到谐振器中。
29.根据权利要求28的压电马达，其特征在于，在谐振器与压电元件互联的接触区内，谐振器内的等效应力＞100牛顿/毫米2，优选＞250牛顿/毫米2和特别优选＞300牛顿/毫米2。
30.根据权利要求1-29的压电马达的制造方法，其特征在于，压电元件仅在装入谐振器之后被极化。
31.根据权利要求1-29的压电马达的制造方法，其特征在于，压电元件在它装入谐振器之前不被极化。
32.根据权利要求1-29的压电马达的制造方法，其特征在于，压电元件至少在它装入谐振器时是被短路的。
33.根据权利要求1-29的压电马达的制造方法，其特征在于，压电元件在装入谐振器之前被极化，然后给压电元件施加一与极化相比是负的电压。
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