專利名稱：具有提供有關轉子位置和/或轉子轉速信息裝置的壓電馬達的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有一個定子和一個轉子兩部件的壓電馬達，至少所述部件的前者具有產生振動波的裝置，該振動波至少使前一部件有效區域的有效部分進入周期運動，而且所述前一部件有效部分的這種周期運動至少作用在后一部件的無源部分，使這兩部件之間產生相對運動。
這種馬達是基于相互壓電效應原理工作的。根據該原理，壓電勵磁機由交流電壓勵磁，并使定子以某一頻率，如超聲頻率進行機械振動。通過適當的建筑措施，定子的振動便于轉子的旋轉運動。由于本領域馬達有異步性能，因而須設一個附加裝置以便確定轉子位置及其轉速。
文獻EP 505848公開了一種壓電馬達，其定子有固定連接的印刷電路板，該電路板具有離心式延伸觸頭。轉子裝有套管臂，通過該裝置，有關轉子位置和其轉速的信息可送至馬達外。
這種裝置的運行經歷表明，盡管其具備基本功能，但其機械摩擦降低了整個馬達的壽命且大量增加制造成本。而且，特別是對小電機，由于觸頭摩擦造成的工作效率降低和所需的附加空間影響很大。
光裝置也是公知的，通過光束確定轉子位置和/或轉子轉速。
同樣，這種解決方法也使造價和馬達附加件以及相應的制造成本大量增加。這種裝置也導致馬達尺寸增大，尤其是小馬達，而且由于產生光束需消耗附加能量引起工作效率降低。
因此，本發明的目的是提供一種壓電馬達，它具有提供有關轉子位置和/或其轉速的可靠信息的裝置，通過避免大摩擦延長使用壽命，不必增大馬達尺寸，只需較小附加能量消耗，并制造簡單，造價低廉。
由權利要求1的特征確定實現該目的的發明方案。
利用本發明方案，通過馬達的電壓源接頭可直接并可靠地取得有關轉子位置和轉速的信息。為達到該目的，馬達不需任何附加部件，因而馬達壽命不會降低，且其大小保持不變。只需對轉子以及電壓源裝置作簡單的微小變化。
根據優選實施例，轉子可具有環形段槽部分，從局部考慮，其特征是聲阻抗值與固體材料部分不同。通過這種方法，在運行期間電壓源至少有一個電氣變量變化，它是位置及轉速信息的攜帶者。所設槽不需任何附加制造成本，因為它們可在轉子注模的同時得到。
第一優選電壓源和測量裝置根據電源電壓與電源電流間的恒定相位差-零較好-控制頻率，并將頻率的瞬時、非均勻周期性變化過程轉換為轉子相對定子的位置變化。該電源和測量裝置結構簡單且只需微小的附加成本。
在第二優選方案中，壓電馬達有一運行頻率，由于槽，該頻率在運行期間也有瞬時、非均勻周期性變化過程，由電源和測量裝置檢測并將其轉換為變化的轉子位置和/或轉速。該方案運行效率高且成本非常低。
下面結合附圖，通過幾個實施例說明本發明，其中

圖1所示為沿垂直旋轉軸方向剖開的有轉子的壓電馬達第一實施例，圖2a所示為沿圖2b的IIa-IIa線剖開的轉子第二實施例的頂視圖，圖2b所示為沿圖2a的IIb-IIb線剖開的轉子第二實施例橫截面圖，圖3所示為第一電源和測量裝置模塊圖。
圖1所示為壓電馬達10的第一實施例，該馬達下面不詳述。對于與本發明沒有直接關系的結構細節，圖1和圖2所示的第一實施例標記使用上述文獻EP 505848中的。這也用于定子。
壓電馬達10固定裝在圓形底盤11上。其中心裝有旋轉軸12，它在后面用作參考軸。
形成定子13的平板剛性固定于底盤11，并主要由諧振板14組成，諧振板14固定連接-如粘結-圓形壓電陶瓷勵磁機15，勵磁機15的電源接頭未示出。勵磁機15可用陶瓷材料制成。諧振板4包括一個被勵磁機15覆蓋的圓形區域16，并由此向外伸出三個諧振翼17a，17b，17c，從而給定子裝上螺旋槳。
這三個諧振翼17a-c的每一個上都有一個向外指的鑿子形狀的諧振齒18a，18b，18c，它幾何引為一線，其平行于旋轉軸12。但是，事實上，結果并不完全是一線，而是一個小區域。這種諧振齒18a-c每個都有所謂的突出部分19a，19b，19c，它形成相對旋轉軸12的一段汽缸套。
對著這些突出部分19a-c的是一環形轉子20，它可動地裝在底盤11上，并有一個形成后表面21的內汽缸套。后表面21與外表面22一起確定其間的轉子厚度23，其中外表22與轉子后表面是同心的。
切割轉子20，形如環形段的三個相同槽24a，24b，24c被三個相同的固體材料區域25a，25b，25c相互隔開。下面將槽24b和固體材料區域25b作為所有三個槽24a-c和所有三個固體材料區域25a-c的代表進行說明，其中說明是相對旋轉軸12的。
槽24b將轉子20分為薄的內轉子部分26b和外轉子部分27b。沿徑向測出槽24b的厚度28b，內轉子部分26b的厚度29b。槽24b沿角30b延伸，而固體材料區域25b沿角31b延伸，兩個角均為60°。
圖1所示本發明壓電馬達10的壓電陶瓷勵磁機15的電源是，如200KHz的正弦電壓，該馬達的功能如下。
由壓電陶瓷勵磁機15將超聲振動徑向向外傳入諧振翼17a-c，造成三個諧振齒18a-c和其突出部份19a-c在垂直于旋轉軸12的平面內周期性地、近乎橢圓地運動。由于該運動，轉子20被顛簸驅動。為了更詳細說明圖1所示壓電馬達10的驅動原理，盡管諧振翼數目不同，仍使用與上述文獻EP 505848相同的標記。但是，設三個諧振翼，其驅動效果截然不同。
對應諧振齒18a-c的諧振翼17a-c與其突出部分19a-c一起振動，其方式決定于結構，即作為負載的相鄰轉子20的結構方式。通過一個物理變量-聲阻抗，可整體地或局部-如轉子20部分-地說明馬達10的振動特性。
對應某一頻率，只考慮一個聲阻抗性，或考慮作為一定帶寬頻率的函數的聲阻抗變化量。在本說明書全文和權利要求書中，聲阻抗頻譜的定義用于作為頻率函數的聲阻抗變化量。
該定義特別涉及聲阻抗頻率圖而非聲阻抗時序圖。而且，當某一頻率對應至少一個相互不同的阻抗值時，出現兩個分離的不同聲阻抗頻譜的問題。對這種情況，聲阻抗頻譜圖是否在所考慮的帶寬內連續變化，或出現間斷或只有幾個離散點都無關緊要。
由于壓電馬達10是帶電的，從電壓源這一點看，馬達就像一個反映其負載特性的電阻抗。這樣，對某一頻率只需考慮單一的電阻抗值，而可考慮作為一定帶寬內頻率的函數的電阻抗變化量。在說明書全文以及權利要求書中，類似上述聲阻抗頻譜的情況，電阻抗頻譜的定義用于作為頻率函數的電阻抗變化量，下面的電阻抗是指從電壓源處考慮。
聲阻抗與電阻抗之間關系密切。聲阻抗頻譜的變化影響電阻抗頻譜。但是這種關聯關系對本發明并不重要。該發明方案是基于聲阻抗頻譜以一種等效方式轉換為通過未示出的馬達接頭測量的電阻抗頻譜。
但是，在這種情況下，只有轉子20與突出部分19a-c直接相鄰的局部區域，即只有在突出部分19a-c的附近且直接由其勵磁的轉子20的部分區域影響聲阻抗頻譜。轉子20設有幾個連續部分，局部考慮時其特征在于具有不同的聲阻抗頻譜，所以整個馬達10的電阻抗頻譜隨定子13和轉子20之間的相對位置而變化。可是，文獻EP 505848中的轉子是完全軸對稱的，因而其電阻抗頻譜不隨轉子位置而變化。通過一個簡單的測量裝置可確定電阻抗頻譜對旋轉轉子20的變化，該測量裝置也連至馬達10并表示出轉子位置和/或其轉速。后面說明幾種可行的連接和測量裝置。
振動元件的聲阻抗頻譜主要決定于其慣性、彈性和內摩擦力。通過適當的構造方式，這三個值可沿轉子后表面21明顯變化。但是，內摩擦損耗要保持盡可能小，使工作效率不降低。所以，只考慮沿轉子內表面21的慣性和彈性變化量。按圖1，轉子20中的槽24a-c產生薄的內轉子部分26a-c，26a-c具有較小厚度29a-c，它不如固體材料部分25a-c剛性好。這些不同特點造成不同的電阻抗頻譜。外部區域27a-c為使轉子20足夠穩定而設，使之不降低所希望的內部分26a-c的特定振動特性，該特性與固體材料部分25a-c的特性明顯不同。
由于槽24a-c和固體材料部分25a-c分別沿60°的角30a-c和31a-c延伸，所以，或所有三個槽24a-c，或所有三個固體材料部分25a-c直接鄰近三個突出部分19a-c。所以，三個突出部分19a-c處于相同的運行狀態，其各自作用的疊加產生一個放大的總作用，即運行期間電阻抗值、電阻抗頻譜分別對運行頻率的明顯變化。在上述情況下，分辨率是一比三，即對轉子20轉一圈，交替產生三次第一或三次第二電阻抗頻譜。換句話說，在其運行頻率下，電阻抗達到三次最大值和三次最小值。所以，通過連續計算這些極值，可知轉子轉速或從初始位置起動、轉子位置。所述一比三分辨率滿足大多數應用。
外轉子部分27a-c給轉子20提供足夠的穩定性，它相當于沒有槽24a-c時轉子所應有的穩定性。
當然，也可用電導納頻譜代替電阻抗頻譜，前者是對應于后者的倒數。沿電阻抗頻譜的頻率刻度可找到幾個局部最小值，稱之為模式。對每一種模式，諧振板14產生一種特定變形。對一種特定模式，可產生一種很明顯的變形，但它只在徑向或軸向作用，即突出部分19a-c只在徑向振動，這意味著未驅動轉子20。選擇適當模式主要決定于最大可能驅動作用，即轉子20的最大可能轉速。所選模式下面稱作基模式。當電源電壓增大且其溫度也增高時，該基模式只略微減少幾KHz。而且，大氣壓力對基模式的影響也很小。
為了取得較高運行效率，以使基模式附近的頻率刻度不含任何別的局部阻抗最小值的方法選擇諧振板14的形狀十分重要。只應選擇具有最大驅動作用的諧振。所有其它模式，包括相對三個諧振翼17a-c不對稱的，在使用脈沖驅動時，都將引起損耗增大，該損耗可能是對應較高頻率極大模式的。而且，勵磁機15和諧振板14在預定頻率處的聲阻抗優選類似值對總的運行效率有積極影響。所有上述要求可通過本發明實施例中的定子13，特別是諧振板14以及轉子20滿足。
通常，所有模式不僅具有局部阻抗最小的特點，而且具有零相位交叉的特點。為了取得最大可能運行效率，由勵磁機15的靜態電容引起小的相位移動可通過一個附加感性并聯電路校正。
還有使轉子20反向旋轉的模式。所以，通過分別改變所供電壓、導引信號49的頻率，可改變馬達的旋轉方向。這樣，滿足了雙向馬達的要求。
圖1所示的壓電馬達10的轉子20可用圖2a和2b所示的第二實施例中的轉子20′代替。下面，說明轉子20′與轉子20的區別。
轉子20′厚23′，且有一轉子后表面21′，轉子20′只含一個槽24′且相應地只有一個固體材料部分25′。從圖2b可看出，槽24′沿數字31′所標的20°角切割轉子20′，并在此將轉子20′分為內轉子部分26′和外轉子2部分27′。沿槽24′在轉子內側上延伸的轉子部分26′厚29′，沿徑向測量，它明顯小于第一實施例中的厚度29a-c。固體材料部分25′沿340°的角31′延伸。
具有如圖2a和2b所示轉子20′的壓電馬達10的功能與圖1所示馬達功能區別如下。
由于轉子20′只有一個槽24′，因此只有一個突出部分19c位子槽24′附近。該槽24′對聲阻抗頻譜以及電阻抗頻譜的作用小于圖1的壓電馬達10，因為圖1中所有三個突出部分19a-c始終在同樣的條件下振動。但是，在圖2的情形下，由于內轉子部分26′的較薄部分，即校小厚度29′，該單一槽24′的作用增大。在這種情況下，槽24′可為較小結構，即角30′可僅為20°，角30′對應圖1中的角30a-c。結果得到兩個差別很大的電阻抗。通過使用轉子20′或類似轉子，電阻抗頻譜將以某種方式變化，使阻抗最小值和頻率刻度上的相位過零點出現在以百分之一比例變化的某一運行頻率處，這是完全可測到的。
圖3所示為通過閉環控制用于所發明馬達的第一電源和測量裝置模塊圖，其中只示出馬達電流環作為電連接環。通過以40標記的電壓控制器實現某種控制器，如電壓控制振蕩器(VCO)，其輸出側接至壓電馬達10。與此串聯連接的是電流測量單元41而并聯連接的是電壓測量單元42。單元41和單元42分別發出測量信號43和44至相位測量單元45。在該相位測量單元45的輸出側，反饋信號46通過放大器47送至比較器48。比較器48還有一個輸入信號，它是超前信號49。在比較器48的輸出側，確定控制偏差信號50，送到控制器40的輸入端。
這種電壓和測量裝置控制交流電壓的頻率使電壓和電流始終同相。VCO控制器40接收來自比較器48的超前信號49，作為具有某一峰值電平的直流信號，且在控制器40的輸出側將已定頻率的正弦交流電壓送至壓電馬達10。此處，電流測量單元41測量電流瞬時值而電壓測量單元42測量電壓瞬時值。兩個單元分別將成比例的測量信號43和44送至測量單元45，測量單元45確定兩信號間的相位差異并將相應的反饋信號46通過放大器47送至比較器48。比較器48將放大的反饋信號46與原超前信號49比較并產生用于VCO控制器40的控制偏差信號50。
以這種方式，在運行期間通過電壓和電流間的相位差校正連至馬達10的電源電壓的頻率，即正弦電壓源的頻率在馬達10運行期間周期地變化。換句話說，根據槽24a-c，槽24′分別對局部阻抗最小值、相位過零點頻率的作用，只要運行頻率始終沿頻率刻度跟蹤基模式的周期性偏差，就能維持最佳運行點。槽24a-c，24′分別使頻率在馬達10運行期間周期性變化，由此可確定轉子位置和/或其轉速，這種周期性變化可用以下三種方法檢測。
在比較器中，將直流電壓信號50與所供基準直流電壓信號相比。兩個電壓信號之差確定電源電壓頻率相對基準頻率的偏差。
第二種是提供一種時間測量裝置，測量交流電源電壓過零點之間的時間差，由此決定瞬時頻率。
第三種可行方法是計算某一時間段內的過零點數目。當加入一個石英時鐘時，這種變化較佳，因為此時32KHz的石英頻率可以一種簡單的方式得到一個幾毫秒的時間段。相應的電路結構簡單，且耐用。
下面，沒有數字標記，通過例子說明另兩種電壓源和測量裝置，它也用于本領域的壓電馬達，由電阻抗頻譜分別確定轉子位置、轉速。
第二種電壓源和測量裝置對應于開環控制系統。它向馬達10提供固定頻率的交流電壓并測量由轉子20，20′的聲阻抗變化引起的電流波動。該方案尤其適于帶恒定負載的情況。從原理上說，給馬達提供穩定交流電流并記錄電壓波動也是可行的。
第三種電壓源和測量裝置提供一個具有頻率確定部件的交流電壓源。由于這種交流電壓的頻率隨馬達基模式的周期性變化而波動，所以電流與電壓間的相位差保持恒定。上述三種可行方案均可用于測量頻率。
利用本發明方案，通過所接電壓由一簡單測量裝置可得有關轉子位置，特別是轉子轉速的情況。本發明使用壽命長，所含部件少且簡單，不需增設馬達空間。馬達外的電壓源和測量裝置不需任何明顯能量消耗，因而幾乎不影響馬達效率，且制造容易，成本低。
也可用一些鉆孔代替槽24a-c，24′。形狀大小主要由局部聲阻抗頻譜所發生的變化決定。一般，變化越明顯，內轉子部分26a-c，26′越薄，且槽24a-c，24′延伸越大，即厚度29a-c，29′越小，且角30a-c，30′越大。在槽24a-c，24′的角30a-c，30′明顯大于固體材料部分25a-c，25′的角31a-c，31′的情況下，后者對電阻抗頻譜的影響將減小。在圖1所示的方案中，槽24a-c，24′以及固體材料部分25a-c，25′最好沿相同的60°角延伸。
在所示兩個例子中，有關轉子位置及轉速的信息只由兩個不同的聲，電阻抗頻譜決定，因為突出部分19a-c或在槽24a-c，24′附近，或在固體材料部分25a-c，25′附近，所以，可提供與圖1中的轉子20槽數相同的轉子，但槽卻以另一種方式分布。所有的槽以及其間三個固體材料部分中的兩個都沿約50°角延伸。第三個固體材料部分卻以110°角延伸。由于轉子的這種分布，諧振齒一個接一個地進入槽的作用區間。第一個進入某槽作用區間的諧振齒也第一個離開該區間。這樣，產生電阻抗頻譜的分段作用，逐步經歷下述狀態無諧振齒在槽附近，只有第一個，第一個和第二個，所有三個，第二個和第三個，只有第三個，然后又沒有。
在一次旋轉內這七個狀態順序發生三次。這樣增加分辨率。與圖1的1∶3相比，此時是1∶21。由于轉子的這種布置，即由于槽間和固體材料部分間的角度關系，槽和固體材料部分對電阻抗頻譜具有同樣的作用。由于第三個固體材料部分對電阻抗頻譜作用較長，形成特例。
為了增加分辨率，可在轉子上設多個槽或孔，如12個槽和12個固體材料部分，每個沿15°延伸。
從原理上說，外轉子部分27a-c，27′可省略，將槽24a-c，24′開在外側，從而形成溝。
為了提高穩定性，槽或溝可部分或全部由不同材料構成。這種材料必須具有明顯不同于轉子20，20′的振動特性。
所有上述方案中，轉子位置及轉速都是通過壓電勵磁機15的電源接頭確定的。但是，也可在轉子20，20′上設一附加探頭，它在運行期間連續記錄轉子20，20′的振動特性并將其變換為相當的變化的交流電壓信號，由一響應電路將該信號轉變為轉子位置變化。
該發明方案還可確定線性馬達的轉子速度。
由于上述優點，本發明馬達可用于手表。通過一個與凸起相連的適當電路裝置可容易地調整裝有這種馬達的手表的時間。
權利要求
1.壓電馬達(10)具有兩個形成定子(13)和轉子(20；20′)的部件(13，20，20′)，至少這些部件的第一個(13)具有產生振動波的裝置(15)，該波至少將第一部件(13)的有效區域(18a-c)的有效部分(19a-c)帶入周期性運動且第一部件(13)的有效部分(19a-c)的周期性運動至少作用在第二部件(20)的無源部分(21；21′)，使這兩個部件(13，20；20′)產生相對運動，其特征在于所述第二部分(20；20′)有幾個基本上沿無源部分(21；21′)分布的環段(24a-c，25a-c，26a-c；27a-c；24′，25′，26′，27′)，其中，至少第一環段(24a-c，26a-c，27a-c；24′，26′，27′)具有第一聲阻抗頻譜而至少第二環段(25a-c；25′)具有與第一聲阻抗頻譜不同的第二聲阻抗頻譜。
2.如權利要求1的壓電馬達，其特征在于第一環段(24a-c，26a-c，27a-c；24′，26′，27′)與第二環段(25a-c；25′)或彈性不同，或慣性不同，或兩者都不同。
3.如權利要求2的壓電馬達，其特征在于第一環段(26a-c；26′)與第二環段(25a-c；25′)各有一壁厚(23a-c，29a-c；23′，29′)，它們相互不同。
4.如權利要求3的壓電馬達，其特征在于第一環段(26a-c；26′)鄰接開口處(24a-c；24′)。
5.如權利要求4的壓電馬達，其特征在于開口處(24a-c，24′)是槽形(24a-c；24′)，該槽切割第二部件(20；20′)并以基本恒定的距離沿無源部分(21；21′)延伸。
6.如上述任一權利要求的壓電馬達，其特征在于第一環段(24a-c，26a-c，27a-c；24′，26′，27′)沿第一角度(30a-c；30′)延伸而第二環段(25a-c；25′)沿第二角度(31a-c，31′)延伸，這些角(30a-c，31a-c；30′，31′)基本相似。
7.如上述任一權利要求的壓電馬達，其特征在于至少一個物理變量表示第一與第二聲阻抗頻譜之間的差別，且可在馬達外確定它。
8.如權利要求7的壓電馬達，其特征在于該物理變量是一個電變量。
9.如權利要求8的壓電馬達，其特征在于該電變量可通過電接頭在馬達外確定，該電接頭與所述用于產生超聲頻率范圍內的振動的裝置(15)的電壓源所用電接頭相同。
10.如權利要求9的壓電馬達，其特征在于在其運行狀態下，構成一個開環電路的電源和測量裝置在某一固定頻率下通過所述電接頭確定作為電變量的電壓或電流，并將其非均勻周期性變化轉變為定子(13)與轉子(20；20′)之間的變化的相對位置。
11.如權利要求9的壓電馬達，其特征在于在其運行狀態下，構成一個閉環電路的電源和測量裝置根據恒定的-最好是零-電壓與電流間的相位偏移控制頻率，相位偏移通過所述電接頭確定并將頻率的非均勻周期性變化轉換為定子(13)與轉子(20；20′)間的變化的相對位置。
12.如權利要求9的壓電馬達，其特征在于在其運行狀態下，帶有用于產生超聲頻率范圍內振動的裝置(15)的馬達提供運行頻率，而電源和測量裝置將運行頻率的非均勻周期性變化轉換為定子(13)與轉子(20；20′)之間的相對位置的變化。
全文摘要
沿環形轉子(20)內轉子后表面(21)連續設區域(26a-c)和區域(25a-c)，區域(26a-c)壁厚(29)小，而區域(25a-c)壁厚大，其對應的聲阻抗頻譜不同。在運行狀態下，即當轉子(20)轉動時，所述區域(24a-c；25a-c)由定子(13)的壓電勵磁機(15)交替勵磁。周期性變化的聲阻抗頻譜以類似方式影響馬達(10)的電阻抗頻譜。通過馬達(10)的電壓源接頭測量這些變化并將其轉換為定子(13)與轉子(20)之間的相對位置變化。
文檔編號H02N2/10GK1133445SQ9511316
公開日1996年10月16日 申請日期1995年12月28日 優先權日1994年12月29日
發明者C·皮克萊特, K·特魯姆皮 申請人:Eta草圖制造公司