压电电机 【技术领域】
本发明涉及一种压电电机。
背景技术
在以本申请人的名义申请的欧洲专利申请No.537446中已经公开了一种压电电机。这种压电电机包括一个定子，其安装在(例如强制地推到或粘接到)一个阶梯状的芯轴上，该芯轴位于电机的旋转轴上。这种压电电机还包括一个转子，其由支撑件保持与定子的轴向接触。一个盘状压电换能器设置在定子之下。此压电换能器可以由例如一个陶瓷件形成，该陶瓷件能够受到电能的激发，在定子中产生振动。在转子上设置传递定子所受的振动的装置，该传动装置由若干可变形偏转舌片构成。
当施加一个激电电压时，压电部件沿径向振动。这种压电部件的振动在定子中产生机械应力，这使得后者在垂直方向上向其静止位置的上下振动。由于设置了可弹性变形偏转舌片，通过这些舌片，转子的外周边放置在定子上，所以，定子的偏转变形以及由此而引起的定子上各点的显著的直线运动转变成转子的伴生旋转运动。当轴向振动的定子对舌片施加应力时，可偏转舌片弯曲，并在转子中产生与转子的周边相切地速度分量。
上述压电电机的优点是：可以小型化；能够输出一个有效的驱动转矩；结构简单，能以低成本成批制造。美中不足的是，该压电换能器只能单项旋转。这是因为，定子的轴向振动向转子的旋转运动的转换是通过上述可偏转舌片实现的，这些舌片与一平行于压电电机的旋转轴线的直线成一角度，该角度在所述电机的制造过程中就固定下来，在后者的运行过程中也无法改变。因此，这种旋转不能反向进行。为了解决这一问题，可以设想，使为转子配置的舌片交替地与平行于电机旋转轴的直线呈正的和负的角度。然而，不知道怎么使压电部件的振动只激励在一个方向上的可偏转舌片，而不激励另一方向上的舌片，并反之亦然。
在以奥林帕斯光学公司的名义的美国专利US4918351中也公开了一种通常的行波压电电机。这种电机包括若干并置的压电部件，这些压电部件粘接于一部件的下表面上，该部件的作用是放大所述压电部件的变形运动，并避免这些压电部件与转子之间的任何直接的接触。转子经一薄的摩擦层与该运动放大部件接触。相邻的电致伸缩部件的偶极矩的定向相反，这样，通过使所述电致伸缩部件的激励电压之间形成相位移，可以在放大部件中产生一个变形行波。为了改变电机的旋转方向，只需使激励电压之间的相位移反向。这种奥林帕斯电机还包括若干弹性臂，它们的基部固定在定子上，它们的另一端与电致伸缩盘处于滑动支撑接触。这些臂在电机的旋转运动中不起作用，设置它们的唯一目的是通过弹性变形吸收电机运转所产生的振动，从而防止这种振动扩散到定子上。
虽然可以在两个方向上旋转，但这种奥林帕斯行波电机的部件在制造时很难保证精确的接触。因此，这种奥林帕斯行波电机包括一个冲压的部件，其补偿机械公差和由于接触部件之间的磨损而引起的变化。所以，这种行波电机的结构相当复杂，并且很难以可接受的成本小型化。
【发明内容】
本发明的目的是解决上述现有技术中的问题，提出一种低成本并可小型化的压电电机，该电机可在两方向上运动。
因此，本发明涉及一种压电电机，其包括：
定子；
转子，其能够在一个垂直于经过转子中心的几何旋转轴线的平面内旋转运动，所述平面被称为中间运动平面；
设置在定子与所述转子之间的用于驱动转子的连接件；
能够受到电激励，在所述连接件上施加一种振动的压电装置；
传动装置，其能够将所述振动从所述连接件传递到转子上，以驱动所述转子绕其轴线旋转；
将转子置于定子上的保持装置，
其特征在于：所述连接件绕其中心的几何旋转轴线自由地设置，该连接件通过支撑件放置在定子上，所述支撑件的形状能够将连接件与转子之间的接触区域内的各点的振动转变成基本上垂直于转子平面的显著的椭圆状前后运动。
由于这些特征，本发明提供了一种能够前后旋转的压电电机。为了实现这一目的，按照本发明的压电电机以如下的方式形成：在所述连接件与转子之间的接触区域内，连接件上的各点基本上描绘了一条垂直于转子平面的椭圆的轨迹，或者在正三角的方向上，或者在相反的方向上，使得转子可以被前后驱动。这种椭圆运动由在连接件的平面内的基本上圆的运动和所属连接件的轴向振动构成。如果假定连接件的运动状态为其中心轴向向下变形，则可以观察到，由于支撑件(通过该支撑件，连接件设置在定子上)的结构，所述连接件的向下的轴向变形向其施加了一个角旋转运动。同时，连接件的中心轴向向下变形，其外周边可以作为施加到压电装置上的激励信号的频率的函数，或者轴向向上或者轴向向下变形。这样，由连接件的中心的向下的轴向变形所引起的角旋转运动与连接件的外周边的正的或负的延伸运动(即，长出或短于其静止位置)的组合产生所述连接件的所述外周边的一种椭圆运动，这种椭圆运动能够驱动转子旋转。而且，在压电装置的激励信号的半周期内，连接件的中心和周边是同相变形(即，它们都轴向向下变形)还是反相变形(即，连接件的中心向下弯曲变形，而其周边向上运动)决定了转子正向旋转还是反向旋转。
在阅读了下面结合附图对按照本发明的压电电机的一个实施例的详细的描述后，将会更清楚地看到本发明的其它特征和优点。这一实施例仅仅用于非限制性的描述。
图1是按照本发明的压电电机的一横截面图。
图2图1所示的压电电机的一仰视图，其中的连接件以不同的方式悬挂。
图3是沿图2中的III-III线截取的横截面图。
图4是一支撑件的一透视图，连接件通过该支撑件设置在定子上。
图5是连接件的一截面图，图中示出连接件的轴向和圆周运动方向。
图6是连接件的一截面图，图中以实线示出了其静止位置，以点划线示出当连接件被压电装置激励而振动时的各极端变形位置。
【具体实施方式】
本发明的总的发明构思在于提供一能够前后运转的压电电机。为了实现这一目的，本发明讲授围绕其对中的几何轴线自由地安装连接件、借助于支撑件将所述连接件设置在电机定子上，该支撑件能够将由压电装置引发的在所属连接件内的振动转变成连接件与转子的接触区域上的基本上椭圆的运动，该运动垂直于所述转子运动的平面。作为所选定的用于激励压电装置的电信号的频率的函数，连接件以其他谐振模式振动，其中心与连接件和转子之间的接触区域或者同相变形，或者反相变形，使所述接触区域内的各点在正三角方向上或相反的方向上描绘出一个椭圆轨迹，从而使转子能够被向前或向后驱动。
下面结合钟表描述本发明。事实上，压电电机用于钟表制造行业特别有意义，也特别有利，只要这种电机能够提供大的转矩，特别是将压电电机用于驱动指示日期的机构，也称之为日期机构。按照本发明的压电电机具有能够前后运转的附加的优点，因此，如果将其用于驱动一日期机构，装有一个这种电机的表的使用者能够通过选择日期指示器运动的方向(前或后)来调整日期。这样的一个特征是有利的，特别是对于由太阳能电池驱动的表。众所周知，事实上，只有这种表的石英振荡器和分频电路连续地模糊运行。因此，当使用者重新戴上他的表时，根据表所显示的日期，他可以选择日期机构的运动方向，从而能够最迅速地达到目前的日期。
上面描述的将按照本发明的压电电机应用于驱动钟表的日期机构纯粹是为了非限制性地举例说明。事实上，按照本发明的压电电机可以用于许多其他领域，例如自动化、生物医学工程、航空学，在这些领域中总是寻求对磁场敏感并能够提供有效大转矩而且结构紧凑的电机。
参见图1，下面描述按照本发明的压电电机，该电机总体上以标号1表示。
电机1包括一个定子2，在本例中该定子由一个平板4形成，板内固定地插入一个芯轴或销6，例如通过强制压入板4内或者与该板粘接。芯轴6从定子2上与其垂直地伸出。
在图1中可以看出，芯轴6具有大致圆柱状的外形，并形成一个几何轴线X1，后面将其称为几何旋转轴线。定子2和芯轴6可以由一种金属材料制成，例如黄铜，或者一种合金钢。由板4和销6形成的组件构成了一个形成按照本发明的压电电机1的定子2的固定结构。
与通常的情况不同的是，连接件8并不固定安装，而是既可绕其对中的销6自由旋转又可自由移动。这些连接件8借助于支撑件10设置在定子2上，这在后面还将详细地描述。连接件8能够相对于定子2振动，在其上安装压电装置12和至少两个电极(图中未示出)，这些压电装置为压电陶瓷件，例如PZT型(钛酸铅和锆酸铅的混合物)，该两电极以通常的方式联接于一个电源AL，图中示意性地示出。在此，压电装置12构成一换能器，其可以响应由电源AL经电极提供的变频电激励而振动。这些压电现象和这种压电换能器在相同类型的电机中的构造和分布对于熟悉本领域的人员来说是公知的，因此，在此不予赘述。
连接件8包括一盘14，其中心具有一通孔15，通过该通孔，盘14自由地接合在芯轴6上。构成连接件8的构架的盘14轴向上紧靠着一套管18上的凸缘16固定，例如通过激光焊接(见图3)，套管通常由棒车削而成。它可以由金属材料制成，例如一种铜铍合金，或者一种陶瓷或塑料材料。
连接件8还包括上述支撑件10，其也可以通过激光焊接固定于套管18的根部。这些支撑件10的形状使得连接盘14与转子20之间的接触区域内的各点描绘出一垂直所述转子20的旋转平面Pdm的基本上椭圆的轨迹，要么在正三角的方向上，要么在相反的方向上。使得转子20可以前或后驱动，这在本说明书的接下来的部分中可以更详细地看出。
为了实现上述目的，支撑件10包括(见图2和3)一小厚度盘22，例如由弹簧钢制成，并利用任何适当的方式，特别是例如焊接，固定到套管18的凸缘16上。支撑件10还包括若干腿24，它们固定在定子2上。图中只示出这些腿24中的三个，最小的数量必须能够限定一个连接盘14的稳定的旋转运动面，当然应该理解，可以提供很多腿24，除了其它因素以外，腿的最大的数量由空间要求条件确定。然而，如果转子如图1所示设置，则由所述转子和(在本例中)两条腿限定定子平面就足够了。
各腿24由一直线部分26形成，该部分具有足够的刚性。为此，直线部分26可以成型为一型材，例如L形横截面的型材，这可从图2的沿A-A’线的截面中看出。也可以采用U形横截面的直线部分26。在L形横截面的情况下，L形各臂的宽度11大致为0.5mm，臂的厚度e1在十分之一毫米的量级。各腿24的下端还包括一个脚28，通过该脚，腿牢固地固定于电机1的定子2。在图示的例子中，脚28具有孔眼30的形状，即，小的圆形空心金属部分，其能够使所述脚28借助于螺钉(未示出)固定于定子2。毫无疑问，也可以采用其它手段，例如粘接或焊接，将脚28固定于定子2。
如图2和3所示，腿24与盘22制成一体的部件。当然，按照一种变化，可以将腿24分开制成，并且每次一个地固定于压电电机1的连接盘14与定子2之间，这在图1中示出，从该图中可以看到，各腿24在其两端处以一脚28结束。然而，这使组装操作复杂了。
支撑件20的腿24通过一个球窝型铰链32一方面铰接于脚28，另一方面铰接于与其一体的盘22。实际上，铰链32不仅能够绕一水平轴像一枢轴那样旋转，而且能够绕一垂直于由连接盘14限定的平面的轴线旋转，因此，使后者能够在其水平平面内旋转运动，同时，沿着几何旋转轴线X1的方向弯曲或者垂直地升高，连接盘14以所述几何旋转轴线X1为中心。
按照本发明的压电电机1还包括能够相对于定子2绕几何轴线X1旋转的上述转子20。更精确地说，转子20在轴向上与连接盘14的上表面相邻，并自由地通过一个中心孔34接合在销6的圆柱状的外周边上。
在本实施例中，转子20包括一小厚度的盘36，其由一种硬材料制成，例如金属或硬塑料。盘36构成一能够与连接件(未示出)啮合的刚性承载结构，连接件例如为一日期机构的连接件。为了能够与日期机构啮合，转子20包括一小齿轮38，其与盘36构成一整体零件。然而，按照一替换的实施例，小齿轮38可以制成分离的部件，例如通过粘接固定于转子20。
压电电机1还包括传动装置40，其能够对转子20传递连接盘14的振动，并使转子20能够绕轴线X1旋转运动。因此，转子20能够在垂直于旋转轴线X1的中间位移平面Pdm内旋转运动。
传动装置40包括刚性柱头42。从图1中可以看出，这些柱头42或者嵌入形成转子20的承载结构的盘36中，并通过粘接固定，或者与制成盘36的硬塑料材料重叠模塑而成。按照一种变化，传动装置40还可以通过一个在盘36的周边的全长上延伸的连续的环构成。
用于将连接盘14的振动传递给转子20的刚性柱头42设置在盘36的周边。它们垂直于形成连接件14的框架的盘14的表面延伸，其数量最少为三个。当然，也可以采用较大数量的柱头42，最大的数量可以由最大的空间需要条件来确定。需要说明的是，位于转子20与连接盘14之间的柱头42与所述连接盘14的前平面相邻或直接位于该平面上，所述连接盘14是光滑的，没有任何凸起，但其粗糙度系数足以使转子被驱动。刚性柱头42与它们所邻接的连接盘14一起构成接触点P，这些接触点描绘了一条基本上椭圆的轨迹，或者在正三角的方向上，或者在相反的方向上，这在后面将会更详细地描述。接触点P的运动由振动所引起，这种振动在一适当频率的电激励信号激励压电装置12时对连接盘14致动。
继续参见图1，通过保持装置44在朝向连接盘14的轴向上向转子20施加压力。使转子20在轴向上与连接盘14邻接的部件是通过将螺栓沿销6的轴线安装在所属销内，并将螺钉旋入钟表运动的一桥件50上的一螺旋孔48内形成的。
在图示2中特别可以看出，支撑件10的腿24相对于连接盘14的中心52偏心，以等间隔设置在与所述连接盘14的所述中心52同心的圆54上。腿24的对称纵轴线与连接盘14的中心52隔开距离d1，所述腿24相对于一平行于转子20的旋转轴线X1的直线的倾斜角(α)(见图1)决定了连接盘14的椭圆运动的圆的分量。现在结合图5和6对此进行描述。
按照本发明，图5中可以看出位于所述连接盘14与转子20之间的接触区域中的连接盘14的部分，该接触区域的点P描绘了一条基本上为椭圆形的轨迹，其垂直于转子20的运动平面Pdm，或者在正三角方向上，或者在相对的方向上。因此，转子20可以被向前或向后驱动。这种椭圆运动由连接盘14的基本上圆形的运动与在轴向上的振动形成。事实上，无论激励压电装置12的电信号的频率如何，连接盘14(请回忆，其设置成绕其对中的轴线X1自由旋转和平移)在电激励信号的半周期内总是在其中心52处轴向向下偏转。这从图6中得到证实，在该图中可以看出，无论连接盘14被激励到基谐模式f0，还是被激励到第一和第二谐波或部分谐波模式f1和f2，连接盘14的中心52都偏转到其静止位置之下，静止位置在图示6中以实线示出。图中以非常夸大的方式示出这种变形，实际上，变形的最大幅度并不超过几个微米。
连接盘14的自然频率随振型变化很大。这样就能够以具有对应于理想振型的频率的电压来激励压电装置12，来选择理想的振型。需要说明，只选择形成轴对称波节圆的振型，而不是形成轴对称波节直径的振型，这样，同一圆上的各点被同样的运动激励。只有当能够借助于打乱对称的孔或离心配重适当地调节一个或几个波节直径时，才采用波节直径振型，并且只将振动叠加到周边的一部分上。当将连接盘14激励成基谐模式f0时，由压电装置12在连接盘14中引发的振动造成的弯曲应力所引起的变形使连接盘14形成盆状。压电装置12的振动和所引起的连接盘14的变形都是轴对称的。换句话说，位于以几何轴线X1为圆心的相同的圆上的连接盘14上的各点同时经历相同的延伸。
由于具有将连接盘14支撑在定子2上的支撑件10的结构，所述连接盘14的轴向向下的变形被转变成连接盘14与转子之间的接触点P的角旋转运动(见图5中的箭头A)，该运动与所述转子20的运动平面Pdm相切。
同时，连接盘14的中心52轴向向下变形时，其与转子20接触区域内的外周边56可能轴向向上(图5中的箭头B)，也可能轴向向下变形(图5中箭头C)，取决于连接盘14的振型。这样，由于连接盘14的中心52的向下的轴向变形所引起的角旋转运动与所述连接盘14的外周边56的正或负的延伸运动(即，长于或短于其静止位置)的组合形成所述连接盘14的外周边56的椭圆运动，于是，这种运动可以驱动转子20旋转。根据连接盘14的中心52和周边56同相位变形，即，在压电装置12的电激励信号的相同半周期内都轴向向下变形，或者反相位变形，即，连接盘14的中心向下而所述连接盘14的周边向上运动，产生转子20的相反旋转方向。
上述特征清楚地示于图6中，特别是，在该图中可以看到，当连接盘14被以基谐模式f0激励时，连接盘14的中心52和周边56以相反的方向轴向变形。换句话说，连接盘14的中心52向下变形，而其周边56向上变形。连接盘14的这样的振型的结果是，所述连接盘14与转子20之间的各接触点P描绘出一条椭圆运动轨迹，这使转子20以给定的方向被驱动，例如向前。
当压电装置12的激励频率逐渐增加时，为了从基谐模式f0转变到连接盘14的谐振振型f1，连接盘14的中心52和周边56同相振动，换句话说，在所述压电装置12的电激励信号的相同的半周期内它们同时向下。在这种第二振型中，连接盘14与转子20的接触区域的各点P还是描绘了一条椭圆轨迹，但是是以与上述相反的方向进行的，这次使转子20被向后驱动。需要说明的是，在第一谐振振型f1中，连接盘14通过了零振幅值。振型f1呈现一波节圆，换句话说，在所述连接盘14中出现一个振动节点，这是由于，连接盘14的重心在后者产生振动并变形时必须被保持住。
当继续增加压电装置12的激励频率，以使连接盘14从第一谐振激励振型转向第二谐振振型f2时，注意到，所述连接盘14的中心52和周边56还是反相振动，即，所述中心52向下变形，同时所述周边向上变形。在这种第三振动振型中，连接盘14与转子20的接触区域的各点P仍然描绘出一条椭圆轨迹，但是是以与第一谐振振型f1对应的相反的方向上。这样，可以再次使按照本发明的压电电机1的工作方向反向。要注意的是，在第二谐振激励振型f2中，连接盘14具有两个穿过零点的振幅值。于是，振型f2形成两个波节圆，换句话说，在所述连接盘14中出现两个振动波节。
综上所述可以理解，通过使所述连接盘14的激励模式从基谐模式f0转向第一谐振振型f1，然后再转向第二谐振振型f2，每次都使压电电机1的旋转方向反向。当然，为了使所述电机1反向，可以只在两值f0与f1之间改变电激励信号的频率，使连接盘14从基谐模式转向第一谐振模式，反之亦然。
在下面的段落中提供了关于按照本发明的压电电机1的各构成部件的几何尺寸。
在支撑件10的腿24为具有L状横截面的型材的情况下，L的各臂11的宽度大致为0.5mm，这些臂的厚度e1在十分之一毫米的量级。各腿24的长度12从形成所述腿24的脚28的孔眼30算起为3.3mm。孔眼30的孔的直径d2为0.8mm，该孔眼的外经为1.5mm。腿24的对称纵轴线与连接盘14的中心的距离d3为1.25mm，与所述腿24一体的盘22的直径d4为3.0mm。连接盘14的直径d5为5.0mm，其厚度e2为0.2mm。压电陶瓷材料的厚度e3为0.1mm。销6的直径d6为1.2mm。最后，腿24与平行于转子20的旋转轴线X1之间形成的倾斜角α通常在10与30°之间。
毫无疑问，本发明不限于上述实施例，各种简单的改进和变化都不背离本发明的范围。特别是，形成连接件14的框架的盘14和压电装置12可以制成完全陶瓷PZT材料的单一部件。
这样，本发明提供了一种压电电机，其运行原理基于这样的事实，通过选择施加在压电装置上的交变电压的频率，使该频率与连接盘的自然频率之一一致，可以使所述连接盘的中心和边缘轴向上同相或反向变形。同时，盘受到支撑腿的驱动而转动，驱动转子旋转。在电激励信号的一个周期的最后，支撑腿使盘向下运动，返回到其初始位置。连接盘的这种向下和向后的运动是在盘与转子之间几乎完全没有摩擦力的情况下发生的，这样就防止了转子向后运动的任何危险。应该理解，根据连接盘的中心和边缘是同相振动还是反相振动，向前或向后驱动压电电机的转子。这样，使用者只需改变激励电压的频率，就可使连接盘以一种或另一种自然模式振动，从而确定按照本发明的电机的旋转方向。