專利名稱：壓電馬達的制作方法
技術領域：
本發明涉及到壓電裝置，尤其是涉及一種具有徑向動作的壓電致動器的旋轉馬達。
常規的電磁馬達通常需要各種除熱設備，在馬達中的熱量是由于電阻以及滑環、電刷、傳送固定和轉動結構之間電功率的換向片的滑動摩擦所產生，通過各滑動接觸傳導均勻適中的電流，其接觸反復地結合和斷開，造成導電體不斷地重新排列。結果，接觸表面隨著連續使用而變得較粗糙，電刷具有相對小的接觸表面積，它通常比滑環磨損得快，這些電阻發熱、接點焊接和短壽命的馬達部件等特性使常規的電動馬達不能滿足某些應用領域和環境。
電動馬達在諸如外部空間環境中應用的局限性，導致了對轉換器、致動器和馬達變型的研究，例如壓電器件在重量和效率方面具有優點，這對空間應用領域是重要的考慮因素。然而壓電致動器在傳動速度方面有局限性，且已知的壓電馬達不能高速運行，因此需要有一種高速、高效率的壓電馬達，以能在惡劣的環境和遠方場地進行工作。
根據本發明的目標，提供一種壓電馬達，包括一個馬達外殼;一個馬達軸，它具有軸線和帶坡度的波紋表面，該軸在外殼內延伸並可圍繞它的軸線轉動;一個定位在外殼內的壓電致動器;起動裝置，它與致動器連接，用于促使致動器向軸線上施加一個徑向力並與軸的帶坡度的波紋表面接觸，該波紋表面將徑向力轉換成切向力，以使軸轉動。
本發明包括一個轉動馬達，該馬達中有多個徑向動作的壓電致動器，將轉動傳送給具有波紋表面的軸。電信號可以分配給致動器，造成致動器和軸波紋的兩側斜坡間斷接觸。最好，每個波紋的斜坡面把間斷施加的徑向力轉換成使軸轉動的切向力。軸波紋的斜坡可以提供一種機械效益，即將致動器的慢徑向速度轉換成快得多的軸旋轉速度。
通常致動器的位置是由所施加的電信號確定的，如果電源電壓恒定，電源與一個致動器的連接導致一種正弦指數運動，在這種情況中，軸波紋作成正弦指數形，以便與致動器運動相匹配。然而，軸波紋可以作成任何期望的形狀，或做成容易加工的外形，並且致動信號可以電氣變換，以使致動器的運動與波紋形狀匹配，電荷可通過開關和其他轉換電路分配給各致動器。通過運用音響激勵和使致動器與軸之間接觸的滾動器(roller)，可以進一步提高效率。
為了更全面地了解本發明和其進一步的優點，以下結合附圖對較佳實施例進行敘述，在附圖中同一參考號代表各圖中相同的或相似的部件，其中

圖1是本發明壓電馬達的透視圖，假定通過一個透明的外殼示出，還包括一張電氣控制線路的方塊圖;
圖2A是用于驅動圖1所示馬達致動器的電氣控制線路的簡示圖;
圖2B是用于圖2A線路的電荷Q作為時間的函數的標準曲線圖;
圖3是具有一個與圖1的馬達軸接觸的滾動部件的致動器剖視圖;
圖4是包括有一個聲學激勵線路的電氣控制線路簡示圖;
圖5是具有用于使電荷在致動器中傳遞的附加開關的電氣控制電路簡示圖;
圖6是本發明壓電馬達的另一實施例透視圖。
圖1示出本發明轉動馬達的一個實施例。該馬達包括一個馬達外殼12(所示顯然僅為了敘述目的)，一個具有表面波紋28的可旋轉馬達軸10，和多個在外殼12內安裝並環繞軸10波紋面28的徑向動作的壓電致動器14。每個致動器14包括一個壓電體20，一個使壓電體20附在外殼12上的基座21和一個冠部22被固定在與基座21方向相對的壓電體20上。一個電控制器16正如所示包括諸如開關34的多個電氣開關，電控制器16與電源18相連，電源18如所示包括諸如電池36的多個電池，每個致動器14的每個壓電體20包括一或多個壓電片體，每個片體通過諸如引線24一樣的電線與控制器16相連接。
在馬達工作時，來自電源18的電荷由控制器16分配給各致動器14，使致動器14按徑向力箭頭30所示徑向循環。徑向力30作用在波紋28斜坡面上產生一個切向力，用箭頭32表示。由多個致動器14的徑向力30產生的切向力32的平均總和使軸10繞其軸線順或逆時針轉動，如箭頭26所示。在旋轉了適當的次數時，每個致動器14使力30減小和/或促使冠部22抬高，避開了波紋部分28，以使軸轉動不受阻礙。波紋28在馬達中可以是對稱于軸的，該軸可在兩個方向同樣轉動，但是他們在單向馬達中可以是不對稱的。波紋28是與旋轉軸上的各凸輪相似，用于將力加到各致動器拉桿上，如先有技術所熟知的。但在本發明中，致動器14把力加到波紋28上，以使軸10轉動。
軸10的最高轉速可以通過將致動器14直接連到恒定電壓的電源來實現。例如，當開關34閉合時，電流將立即從電池36流到致動器本體20。在此電路中，壓電致動器本體20電氣上作用如同電容。與時間呈函數關系的電路中的電流呈正弦形且成指數地衰減，正弦因素由電路中的電容和電感造成，而指數因素由電阻造成。最小實用值的電阻和電感提供了最快的壓電激勵，導致熟知的電壓和電流的衰減振蕩。所有的壓電致動器14連接到電源18的最高電壓就形成了最快轉速的馬達。
圖2A示出用于本發明馬達的電激勵系統簡示圖。在圖2A中，C代表一個壓電致動器本體20或其片體的電容，L代表各部件和線圈的電感，以及R代表各部件和線圈的電阻，E0代表由電池36供給的恒定電壓，以及S1和S2代表電器開關。
圖2B是圖2A電路的致動器C上電荷與時間的函數曲線圖。在t0時，開關S1閉合，致動器C上電荷Q呈正弦指數上升，如電路原理領域所熟知的，且用圖2B中的實線表示。電荷Q曲線相應于在壓電反應極限內致動器冠部22的實際位置，正如所描述的，電荷Q按正弦指數累積，直到時間t1處，達到冠部22期望的最大沖程。如果電路中沒有發生進一步變化，平緩衰減的正弦曲線表示電荷Q隨時間的變化。然而在時間t1處，開關S1打開而開關S2閉合，引起電荷Q瞬間地按正弦指數下降，和冠部22作對應的正弦指數移動，直到時間t2至此，致動循環可重復進行。作為舉例，1立方英寸鉛-鋯酸鹽-鈦酸鹽壓電材料，在大約5微秒內達到它的t1位置。
當波紋28數目和致動器14的數目相等時，各致動器14動作一致是恰當的。在這種情況下，在扭轉部分每個循環的期間，外殼12經受著基本上均勻的內壓力，因此使圍繞致動器14基座21的外殼12的彎矩最小。當軸波紋28比致動器14的數目多時，致動器14適合于順續動作，順續動作使施加到軸10上的扭矩有均勻分布的好處，特別當定時地使致動器沖程疊交時更好，順序動作要求來自電源18的電流最小，且使馬達運轉均勻平穩。
本發明馬達的最佳性能需要軸的波紋與致動器的運動相匹配，例如，軸的波紋28可以構成一種易于加工的外形，借助控制器16通過逐段接近需要的電荷轉換時間函數，致動器的運動即可與那樣的外形相匹配，正如先有技術已知的，這可以借助壓電切片體、電源部件、開關次數和電氣線路的各種組合來實現。當切換時，用恒定電壓源18、軸10的波紋構形成正弦指數形，從而在扭轉部分的每個致動循環期間允許軸10上施加一個幾乎恒定力30，每次循環的剩余部分包括冠部22無力退出與軸10波紋28接觸或與之完全脫開。冠部22的動作受電氣控制器16控制。如上所示，控制器16可以包括各個開關和其他電路元件的各種組合。通過電氣調整致動器時標和轉速，波紋28的各段不同波度即可被用于提供一定范圍的軸轉速和扭距。可以利用各壓電致動器的往返性，通過提取自己產生的壓電信號提供軸角度位置和致動器接觸力方面的反饋信息。正如先有技術所知的，也可以用常規的軸角度編碼器為電氣控制器16提供反饋。
用于本發明各實施例中的致動器14的動作是齊步的，全部致動器冠部22可以平靜地落在波紋28的頂峰或凹部上，從而防止馬達啟動。在本實施例中通過壓電體20各片體提供到波紋28上的切向作用可以保證啟動。在啟動時，切向作用的各片體可驅使軸開始轉動。當轉動速度達到由致動器14的主徑向動作的壓電片體控制的轉速范圍時，可以使切向片體不起作用或被用于連續地調整致動器冠部和波紋的相對位置;檢測切向力和測量轉矩;或調整致動器冠部的位置以適應因熱膨脹或磨損所致的變化。
因為壓電致動器14的沖程本來就短，所以軸波紋28必須小。因而必須使致動器冠部22和軸波紋28之間的摩擦減小到使本發明馬達能有效工作的最低可行值。
圖3示出所設計的減小了致動器和軸之間接觸摩擦的致動器14的實施例。圖3是一段致動器的剖面圖，示出冠部22附在壓電體20上的情況。構成的冠部22持住一個滾動部件38。在圖3所示的實施例中，滾動部件是一個座落在冠部22中間且被它圍住的圓柱滾動體38，它自由地繞著其軸線轉動，潤滑液體由管子40和一個或多個注孔42供給，以使滾動體38和冠部22之間的交界面44處形成一層薄膜。本實施例使摩擦系數減小到最小值，從而允許致動器的尺寸和壓電沖程范圍大。在惡劣環境中，潤滑方式可以設計成另外的形式，例如液體密封和回收系統、無液體滾動部件和聲學的激勵系統。
圖4示出一個附在圖1的馬達、電源18和控制器16上的聲學激勵系統例子，在圖4中示出一個連接在電源18和電氣控制器16之間的聲學激勵器46。每個電氣通路使電源18與壓電體28或它的部件相連系。激勵器46包括一個具有一次線圈52和二次線圈48的轉換器，交流電源50與全部一次線圈52相連，供給一次線圈52的交流電源在二次線圈48中感應出交流信號，該交流信號被壓電體20傳感，從而在冠部22產生小幅值振動被附加到大幅度致動器沖程上，減小了冠部22(或滾動體38)與軸波紋28的接觸時間，從而減少接觸摩擦。其他的激勵器46的實施例可以包括交流電的電容耦合，例如，具有不齊步動作的壓電致動器的馬達實施例，它從分別的激勵耦合獲得這樣的益處即，它允許在致動器循環中的無扭矩部分工作期間，交流激勵不作用以保存能量。
圖5示出開關54加到控制16上，以增大系統效率。通過選擇性地將電荷從已經完成它的動力沖程的滿荷致動器，諸如壓電體20a，傳送到即將開始它的動力沖程的無荷致動器，諸如壓電體20b，于是，通過調整致動器循環時間和切換電路，實現致動器的電荷高度均分，可以使本發明的馬達的總效率最佳。
圖6示出本發明的一個實施例，它包括設在致動器冠部22和軸波紋28之間的滾柱44，在這個實施例中，冠部22具有一個彎曲的內接觸表面，設計的彎曲外形與波紋28相配合，以使從致動器冠部22通過圓柱形滾柱44到軸波紋28上獲得最佳的動力傳輸，滾柱44的數目必須等于或小于致動器冠部22的數目，因為每個致動器每一次僅可以控制一個滾柱44的位置，滾柱直徑和冠部22的等效直徑之間相似的幾何關系，是連續調整冠部22所需要的，是靠將慢變化的電荷疊加到所有致動器的正常工作信號上實現的。這種慢變化的電荷，也能抵償諸如摩損和不同的熱膨脹的因數。
在圖6所示的實施例中，如上所述，可以用反映滾柱44位置和與冠部22相關的波紋28的反饋信號去控制電氣開關的工作時間和選擇。例如，通過常規的滾柱軸承座可以保持滾柱44與軸的軸線平行。另外，如果需要，可以起動單獨的可編址壓電剪切塊或厚形片體56和58適當的次數，以圍繞垂直于滾柱的軸線施加一個轉矩，或對滾動體間隙做精密調整。活動的滾柱位置消除了與機械滾柱座相關的摩擦損失。
本發明壓電馬達的優點是能用電池和固態開關而不用諸如轉換器、濾波器和放大器這樣的精制的電路。不用聲學激勵的各種馬達實施例具有平靜運轉的優點，由于在馬達中儲存的能量消耗最小而得到高的效率，該馬達不需要使用鐵磁性材料，因此可在強磁場中運轉，因為熟知的壓電材料的可逆性，結合電氣控制電路的適當改進，本發明也可以作為一臺將機械能轉換成電能的發電機使用，這是為本技術領域所熟知的。
盡管已結合相關的具體實施例對本發明作了敘述，但熟悉該技術領域的人員可提出各種的變化和改型，因此本發明的范圍應包括落在附加的權利要求范圍內的這些變化和變型。
權利要求
1.一個壓電馬達，包括一個馬達外殼；一個具有軸線和帶有坡度的波紋表面的馬達軸，所述軸在所述外殼中延伸且可圍繞它的軸線轉動；一個定位在所述外殼中的壓電致動器；與所述致動器連接的起動裝置，用于促使所述致動器將徑向力施加到所述軸的軸線上，並與所述軸表面的帶坡度的波紋面相接觸，該帶坡度的波紋面將徑向力轉換成切向力，使所述軸轉動。
2.權利要求1的一個壓電馬達，其中所述致動器包括一個壓電材料本體;一個致動器基座，用于使所述壓電體與所述外殼相連，以及一個附著在與所述基座相對的所述壓電體上的冠部，所述冠部用于與所述軸表面的帶坡度和面相接觸。
3.權利要求2的壓電馬達，其中所述壓電體包括多個相連的壓電片體;而所述起動裝置與所述每個片體相連。
4.權利要求2的壓電馬達，還包括一個定位在所述冠部和所述軸表面之間的滾動部件。
5.權利要求4的壓電馬達，其中所述滾動部件包括一個座落在所述冠部並從那里延伸的滾柱，以便所述軸表面滾動接觸。
6.權利要求2的壓電馬達，還包括在所述軸的表面上的多個帶坡度的波紋;和，定位在所述外殼中並圍繞所述軸的表面的多個壓電致動器。
7.權利要求6的壓電馬達，其中所述波紋設有正弦指數的斜坡，而所述起動裝置包括一個恒定電壓源，可與所述致動器相連。
8.權利要求6的壓電馬達，其中所述波紋具有一個預定的坡度，而所述起動裝置包括用于使所述感應的致動器力與所述預定的坡度相匹配的電路。
9.權利要求6的壓電馬達，其中所述起動裝置包括用于切換所述致動器中電荷的裝置。
10.一個旋轉式壓電馬達包括一個馬達外殼;一個具有一個軸線並帶有多個帶坡度的波紋表面的馬達軸，所述軸在所述外殼內延伸並可繞著它的軸線旋轉;多個裝在所述外殼內並圍繞所述軸的表面的壓電致動器;與所述致動器相連接的起動裝置，用于促使所述致動器將徑向力加到所述軸的軸線上並接觸所述軸表面的帶坡度的波紋面，該帶坡度的波紋將該徑向力轉換成切向力，而使上述軸轉動。
11.權利要求10的轉動式壓電馬達，其中每個所述致動器包括一個至少包括一個壓電材料的片體;一個用于使所述壓電體與所述外殼連接的致動器基座;和一個附在上述基座對面的所述壓電體上的冠部，所述冠部用于接觸所述軸表面的帶坡度波紋。
12.權利要求11的轉動式壓電馬達，其中所述起動裝置與每個壓電材料的所述片體相連接。
13.權利要求12的轉動式壓電馬達，還包括許多滾動部件，所述每個滾動部件定位在相應的一個所述冠部和所述軸表面之間。
14.權利要求12的轉動式壓電馬達，其中所述每個滾動部件包括一個座溶在相應的一個所述冠部中並由此延伸，以便與所述軸表面滾動接觸的滾動器。
15.權利要求12的轉動式壓電馬達，其中所述起動裝置包括用于聲學激勵所述致動器的裝置。
16.權利要求12轉動式壓電馬達，其中所述起動裝置包括用于切換所述多個致動器中電荷的裝置。
17.一個轉動式壓電馬達，包括一個馬達外殼;一個具有一個軸線和一個帶有多個帶坡度的波紋的表面的馬達軸，所述軸在所述外殼中延伸並可繞著它的軸線旋轉;多個定位在所述外殼中並圍繞著所述軸的表面的壓電致動器，每個所述致動器包括一個本體，它至少具有一個壓電材料的片體;一個將所述壓電體與所述外殼連接的致動器基座，和一個附著到與所述基座相對的所述壓電體上的冠部;多個滾動部件，每個所述滾動部件定位在相應的一個所述冠部和所述軸表面之間;被連到每個所述壓電片體上的起動裝置，用于促使所述致動器將徑向力施加到所述軸的軸線上，而所述壓電片體與所述軸表面的帶坡度的波紋面相接觸，該帶坡度的波紋面將徑向力轉換成切向力，而使上述軸旋轉。
18.權利要求17的轉動式壓電馬達，其中所述起動裝置包括一個電壓源和用于將所述電壓切換到所述多個壓電片體的裝置。
19.權利要求18的轉動式壓電馬達，還包括一個與每個所述致動器本體相連的切向作用的壓電片體;和所述起動裝置包括用于促使切向作用的片體在馬達啟動時提供給所述軸表面以切向力使軸開始轉動。
20.權利要求18的轉動式壓電馬達，進一步包括一個與每個所述致動器本體相連的壓電片體，用于提供反饋信號給上述起動裝置。
全文摘要
一臺旋轉馬達采用多個徑向動作的壓電致動器，將旋轉傳遞給具有表面波紋的馬達軸。電荷使致動器徑向運動導致和軸波紋的兩側斜坡接觸，而轉換慢速的徑向力成使軸快速旋轉的切向力。軸的波紋可做成任何期望或易加工的外形。改變電致動器控制信號以產生適當的徑向運動以與軸的波紋匹配。可用開關或線路均分各致動器間電荷。用聲學激勵和各致動器與軸的滾柱接觸提高效率。
文檔編號H02N2/10GK1055264SQ9110177
公開日1991年10月9日 申請日期1991年3月22日 優先權日1990年3月23日
發明者戈登·沃爾特·卡爾普 申請人:洛克威爾國際公司