用於超聲馬達的壓電執行單元的製作方法

2023-05-27 05:51:21 3

專利名稱：用於超聲馬達的壓電執行單元的製作方法
用於超聲馬達的壓電執行單元
本發明涉及一種用於旋轉超聲和線性馬達的壓電執行單元。其可 以被應用到線性和旋轉運動的驅動馬達中。另外，其可以用於驅動儀 器底盤、光學透鏡、光學寫入和讀取頭以及其他類似的需要很高的定 位精度、小尺寸的驅動系統以及低供電電壓的設備。
已知的用於超聲馬達的壓電執行單元包括用於聲波的金屬諧振 器，其上粘貼有片狀的壓電元件，該元件在諧振器內激勵聲波(參見
US5，665，918; US5，672，930 )。
這些執行單元的缺陷在於尺寸較大，這由金屬諧振腔的尺寸所限 定。另外，這些執行單元的壓電活動部分的體積很小，而壓電元件厚 度很大，這大大降低了機電耦合係數，使得激勵電壓相當高。這類執 行單元還具有複雜的結構，這需要手工裝配組件，因此增加了製造成 本。
其他已知的用於超聲馬達的壓電執行單元(參見US5，134,334; US5，416,375 )，其壓電元件作為薄的層體組連接到金屬諧振腔。這些 執行單元的缺陷在於尺寸較大、結構複雜並且製造成本高。
另外已知的用於超聲馬達的壓電執行單元由壓電板構成，所述板 的兩個主表面上安裝了電極(參見US6，384，515; US7，714，833 )。
其缺陷是這些執行單元需要很高的激勵電壓。這是由於使用了低 機電耦合係數的彎曲諧振腔。該類執行單元的最大激勵電壓達到 300Veff。另一個顯著的缺點是在彎曲諧振腔內存在第二個縱向諧振 腔。這使得執行單元的控制更加困難，其結果是很難構造基於自激勵 原理工作(即激勵頻率由執行單元本身預先確定)的簡單激勵電路。 這導致顯著降低了驅動器的熱穩定性，降低了執行單元的操作安全， 並使得製造更加昂貴。另外還已知用於超聲馬達的小型壓電執行單元，其中多層壓電元
件被按壓到金屬諧振腔的主體內(參見US2004/0256954A1)。這些 執行單元尺寸減小，並且具有低激勵電壓。
這些執行單元的操作原理是基於在諧振腔內激勵諧振頻率互相 接近的兩種類型的駐波。因此，為了反轉移動元件的移動，激勵電路 的頻率必須從一個諧振頻率調諧到另一個。這不允許設置基於自激勵 原理的激勵電路，其頻率由執行單元的機械參數預先確定。因此降低 了執行單元的操作穩定性，激勵電路的結構變得更加複雜，並且驅動 系統整體也更加昂貴。
本發明的目標是提供一種改進的通用類型的壓電執行單元，其特 徵是具有更小的尺寸、較低的激勵電壓、更高的操作穩定性和安全性， 以及簡易控制和低廉的製造成本。
該目標通過包含權利要求1所述特徵的設備來實現。本發明的構 思的有用實施例在從屬權利要求中進行限定。
本發明還包括在構造實施例中構造一個用於超聲馬達的壓電執 行單元，其具有一個用於該執行單元的控制單元，其能夠在控制單元 內實現根據自激勵原理工作的簡化構造的激勵設備，其激勵頻率由執 行單元的機械參數預先確定。
提供了一種用於超聲馬達的壓電執行單元，其由帶有多層聲學駐 波發生器的聲波諧振腔構成，所述聲波諧振腔被構造為帶有兩個主表 面、兩個側表面以及兩個端面的矩形壓電板，其內部具有多層結構。 該多層結構表現為激勵電極層，這些激勵電極層與公共電極層和極化 壓電陶瓷層交替設置，極化矢量相對於電極表面垂直延伸。所有的激 勵電極糹皮分成兩個互不連接的組，這兩組電極相對於所述板的對稱面 對稱地放置。其中該對稱面相對於板的主表面和側表面垂直延伸，即 通過這些表面的中心位置，每組激勵電極與公共電極以及位於其之間 的壓電陶瓷層一起構成了該多層聲波發生器，所述發生器相對於壓電 板的對稱面對稱設置。在壓電執行單元的優選一個實施例中，公共電極可以由兩個部分 組成，這兩個部分的設置和激勵電極的設置相同。這增加了使用上述 執行單元的可行性。
在執行單元的各個實施例的修正方式中，激勵電極和公共電極可 設置成平行於壓電板的端面。這增加了執行單元變形的縱向分量。
在用於超聲馬達的執行單元的其他修正方式中，激勵電極和公共 電極可設置成平行於壓電板的側向邊緣。這增加了執行單元變形的垂 直分量。
在執行單元的下述優選實施例中，激勵電極和公共電極可設置成 平行於壓電板的主表面。這補償了執行單元的縱向和垂直變形分量之 間的不同激勵強度。
在上述執行單元中，在超聲馬達的壓電板的至少一個側表面上安 裝導電電極，所述導電電極將激勵電極和公共電極彼此連接。
將激勵電極和公共電極彼此連接的導電電極也可以安裝在壓電 板的至少一個主表面上。
將激勵電極和公共電極彼此連接的導電電極還可以安裝在壓電 板的各端面上。
所有這些設置增強了根據本發明的執行單元的構造可行性。
在上述壓電執行單元的一些修正方式中，可以在所述執行單元的 壓電板的至少 一個側表面上設置摩擦元件。這允許上述執行單元使用 具有移動摩擦軌道的馬達。
在本發明的壓電執行單元的其他實施例中，可以在所述執行單元 的壓電板的至少一個側表面上設置摩擦層。這允許上述執行單元使用 具有滑塊的馬達。
根據本發明，執行單元的控制單元可包括一個單通道自動發生 器，該單通道自動發生器具有一個功率放大器和一個反饋環，所述反 饋環具有反饋元件以及反向開關，所述反向開關交替地將功率放大器 耦合到相應的聲波發生器。這簡化了控制單元。
壓電執行單元的控制單元還可包括雙通道自動發生器，該雙通道自動發生器具有兩個功率放大器和一個反饋環，所述反饋環具有反饋 元件以及反向開關，所述反向開關交替地將反饋環耦合到自動發生器 的相應通道。這增加了執行單元的效率。
在執行單元的控制單元內，反饋元件可由電阻器、電容器或者這 兩種元件構成，這些元件並聯連接，並連接到壓電執行單元的公共電 極組。這簡化了反饋元件。
在執行單元的控制單元的任一修正方式中，反饋元件均可包括串
聯LC電路形式的變頻濾波器的電容，其連接到壓電執行單元的公共 電極組。這增加了反饋環內的電壓。
在上述執行單元的控制單元內，帶有變頻濾波器的串聯LC電路 的反饋環的電容器的電容值可等於一組激勵電極和一組公共電極組 之間的執行單元的電容值。這優化了變頻濾波器的參數。
另外，根據本發明的執行單元的控制單元還可包括一個寬脈衝電 壓控制器，其輸出端連接到所述單通道或雙通道自動發生器的電源的 輸入端，其控制輸入端構成了用於控制執行單元激勵電平的模擬輸 入。這允許對執行單元進行模擬控制。
執行單元的控制單元中的寬脈衝電壓控制器的同步輸入端可直 接連接或通過倍頻器連接到所述單通道或雙通道自動發生器的信號 電路。這增強了組件的串擾保護及其操作速度。
本發明的優點和效果將藉助於附圖對優選實施例的下述具體說 明而變得更加明顯。附圖示出了


圖1 所述執行單元的主要改進形式，
圖2 所述執行單元的基本改進形式的電極設置，
圖3 執行單元的壓電陶瓷的極化方向，
圖4 所述執行單元的一個改進實施例，
圖5 圖4所示執行單元電極的一個改進實施例，
圖6 本發明的執行單元的實現，
圖7 圖6的執行單元的電極設置，圖8所述執行單元的一個改進實施例，
圖9圖8的執行單元的電極設置的一個改進形式，
圖10圖8的執行單元的電極設置的一個改進形式，
圖11所述執行單元的一個改進實施例，
圖12圖11的執行單元的電極設置的一個改進形式，
圖13具有 一 個摩擦元件的執行單元，
圖14具有兩個摩擦元件的執行單元，
圖15具有一個摩擦層的執行單元，
圖16具有兩個摩擦層的執行單元，
圖17具有控制單元的執行單元，
圖18闡釋所述執行單元工作原理的附圖，
圖19，20 包含所述執行單元的超聲馬達的改進實施例，
圖21所述執行單元的頻率特性，
圖22具有單通道自動發生器的執行單元的控制單元電路，
圖23具有雙通道自動發生器的執行單元的控制單元電路，
圖24具有寬脈沖電壓控制器的執行單元的控制單元電路，
圖25所述執行單元的一個應用實例。
圖1示出了用於超聲馬達的壓電執行單元1。其包括一個聲波諧
振腔2。該諧振腔2 ^皮構造為帶有兩個主表面4、兩個側表面5以及 兩個端面6的矩形壓電板3，壓電板3沿著側表面5的長度為L，沿 著端表面6的高度是H。所述執行單元1的L/H之比在2和3之間。
壓電板3的內部具有多層結構，該多層結構由平行的激勵電極層 7構成，這些激勵電極層與平行的公共電極層8 (見圖3)和位於其之 間的極化壓電陶瓷層9交替設置，極化矢量相對於電極表面7和8垂 直延伸，如圖3中位置10和11處的箭頭所示。極化矢量的方向與壓 電板3的極化軸一致，參見圖3和其他附圖中的點劃線12。
所有的激勵電極7被分成兩組互不連接的電極13和14，這兩組 電極相對於一個對稱面15對稱放置，該對稱面相對於板3的主表面4和側表面5垂直延伸，即通過這些邊緣的中心位置。圖l和所有其他 附圖中的虛線16示出了表面15和表面4及5的相交線。每個相交線 都構成了相應表面的中心線。
激勵電極組13和14與公共電極4的一部分以及位於其之間的壓 電陶瓷層9一起構成了多層聲學駐波發生器17和18。每個發生器17 或18相對於對稱面15對稱設置。
多層壓電陶資板3採用的多層技術來製造。通常，該技術如下所 述首先，生成一個低溫壓電原材料的薄帶，其中的微粒用有機粘結 劑互相粘結。接下來，從所述帶上切割出薄板。隨後敷設用鈀骨製成 的電極。然後，這些薄板被一起壓製成密實的塊以形成板3，並在爐 內烘烤。在烘烤期間，有機粘結劑從壓電陶瓷揮發，壓電陶瓷被燒結， 從而由鈀骨形成了金屬電極。使用該技術製造的層的通常厚度達到30 到50孩￡米。
公共電極8可以由兩個相似的部分19和20構成，其構造與圖 10所示的激勵電極7相同。
每個電極7， 8或電極的各個部分19， 20具有一個導電肩21 (參 見圖1， 2， 4, 5， 6， 7， 8， 9, 10， 11， 12)，其電連接到導電電極 22， 23和24 (參見圖1， 4, 6， 8， 11， 13, 14, 15， 16)。
通過離子濺鍍鉻、銅、鎳、銀以及之後的燒焊，可以將導電電極 敷設到板3的燒結表面上。
在所述的執行單元中，激勵電極7和公共電極8可以與板的端面 6平行設置(參見圖1， 4)。電極7和8可以與板3的側表面5平行 設置(參見圖6)。此外，電極7和8可以與板3的主表面4平行設 置(參見圖8， 11)。
導電電極22， 23, 24可以敷設到板3的一個側表面5上(參見 圖1， 8， 13, 15)或兩個側表面上(圖中未示出)。導電電極22， 23， 24還可以敷設到板3的端面6上(參見圖6， 11， 14， 16)。
如圖13， 14所示，所述振蕩器的改進實例可具有固定在板3的 一個或兩個側表面5上的摩擦元件25。摩擦元件用硬質抗磨損材料製成，例如氧化鋁A1203、氧化鋯 Zr02、氮化矽SbN4、碳化矽SiC、氮化硼BN、碳化硼B4C、碳化鴒 WC、碳化鈦TiC或類似的材料。
這些抗磨損元件可以藉助於化學粘結到莊電陶瓷板3上的材料 而被固定到板3上。這可以通過含鉛玻璃或類似材料來實現。並且， 這些元件還可以通過環氧樹脂膠粘合到板3上。
塑料材料製成。這些填充物包括基於具有半晶狀結構的聚芳氨基材料 以及玻璃光纖、石墨纖維、金屬粉末、氧化物陶瓷粉末或其他能夠固 化塑料材料並且提高導熱性的填充物材料。
這些摩擦元件可以藉助於固化變硬的環氧樹脂膠粘合到板3上。
在所述執行單元的其他實施例中，摩擦層26可以設置在板3的 一個或兩個側表面5上，如圖15, 16所示。
摩擦層26可用硬質抗磨損玻璃製成，其被熔融到板3的表面上。 在該玻璃中，鋁粉、氧化鋯粉或任何其他抗磨損材料可被用作填充物。 層26可以通過汽相沉積一個薄層來形成，該薄層是鈦Ti、鉻Cr、氮 化鈦TiN 、碳化鈦TiC 、氮碳化鈦TiCN 、氮化鉻CrN 、氮化鈦鋁TiAlN 、 氮化鋯ZrN、氮化鈦鋯TiZrN、氮化鈦鉻TiCrN或任何其他材料。
為了防止執行單元1的板3的表面潮溼，其可以鍍上一個薄層， 該薄層是有機漆、玻璃、陶瓷或任何其他電絕緣^N"料(圖中未示出)。
一個有用的實施例包括一個控制單元27 (參見圖17),該控制 單元包含具有方向選擇開關29的自動發生器28。
圖18示出了板30和連接到自動發生器28的聲波發生器17。交 流電壓被施加到電極7和8上使得電流I流過執行單元。
圖18中，標記31， 32表示板3的變形模式。位置33示出了位 於側表面5的表面上的點35的移動路徑34以及移動路徑34的包絡 曲線36。
圖19示出了超聲馬達和執行單元1，後者包含與移動摩擦軌道 37相互起作用的摩擦元件26。執行單元1 ;故彈簧38壓向移動摩擦軌道37。
圖20示出了超聲馬達和執行單元1,後者包含與滑塊39相互起 作用的兩個摩擦元件26，滑塊被拉簧40按壓到執行單元1的側表面 5上。
圖21中的位置41示出了執行單元1的輸入阻抗Z和激勵電壓U 的頻率f之間的關係，而位置42示出了激勵電壓U之間的相移V和 電流I之間的關係。執行單元l的工作頻率等於頻率fa。
在圖22所示的自動發生器28的創造性實施例中，控制單元27 可以被配置成一個單通道自動發生器43。該自動發生器可包含具有電 源電壓輸入端45的電源開關44、反饋環46、反饋元件47、具有控制 輸入端49的反向開關48以及變頻濾波器50。電源電壓U被提供給 電源電壓輸入端45。功率放大器44可包含半電橋末級放大器51和驅 動器52。反饋環46可包括放大部分53、濾波部分54和具有控制輸 入端56的斷路器55。反饋元件47可包括電阻器57、電容器58或這 兩者，它們隨後並聯連接，並連接到公共電極8。變頻濾波器50由包 含感應線圈59和電容器60的串聯LC電路組成。
在圖23所示的自動發生器28的又一個創造性實施例中，控制單 元27可以被設置成一個雙通道自動發生器61。該自動發生器61由構 成兩個通道62和63的功率放大器44組成。
在自動發生器的所有改進形式中，變頻濾波器50的電容器60 可以用來替代反饋元件47,而且反饋環46還可以附帶地包括一個移 相部分64 (參見圖23)。
在所有改進實施例中，變頻濾波器50的電容器60的電容值可以 等於激勵電極13或14中的一組與公共電極組之間的電容值。
在下述實施例中，控制單元27可包括一個具有電源電壓輸入端 66的寬脈衝電壓控制器65,其輸出端67連接到自動發生器28的電 源電壓輸入端45。
寬脈衝電壓控制器65包括功率放大器68、濾波器69以及具有 模擬控制輸入端71並且用於寬脈衝信號的模擬信號轉換器70。該轉換器還包括一個同步輸入端72。
同步輸入端72可以直接連接或通過倍頻器74連接到自動發生器 28的信號電路73。
圖20示出了根據本發明用於驅動光學聚焦單元75的執行單元。 執行單元1被容納在聚焦單元75的外殼76內，其上附有導軌77，透 鏡組79的夾具78可以在導軌上滑動。執行單元1藉助於異形彈簧80 被擠壓向滑塊39的側表面5，其中滑塊為半球體。
所述壓電執行單元1如下工作當電源電壓施加到控制單元27 上時，自動發生器28生成一個電壓，其頻率等於執行單元1的工作 頻率f。(參見圖17， 18,位置30)。該電壓被提供給公共電極8和 激勵電極7的組13或14，與壓電陶瓷層9 一起構成了多層聲學駐波 發生器17和18。
由此，在電極組8和7之間產生了作用到壓電陶瓷層9上(參見 圖3)的時變電場E,電場矢量沿著壓電陶瓷的極化方向取向，即沿 著壓電陶瓷板3的極軸12。因為壓電陶瓷層9很薄(30-50微米)， 能夠以小電壓在執行單元內產生足夠大的電場。因此，可以顯著降低 驅動執行單元1所需的電壓。
作用在壓電陶資上的交流電場E的效果在於，壓電陶瓷板3在 頻率fo處沿著極軸12、並在互相垂直的兩個方向上交替擴張和收縮。 壓電模塊d33限定了板3沿著極軸變形的效率，而壓電模塊(131限定了 沿著互相垂直的兩個其他方向上的變形效率。
極軸15可垂直於端面6延伸(參見圖1， 4 )、垂直於側表面5 延伸(參見圖6)、還可以垂直於其主表面4延伸(參見圖ll)。
控制單元27以下面的方式實現，電源電壓U生成的工作頻率fo 自動保持與諧振頻率fa相等(或接近)，所述諧振頻率等於執行單元 1的板3非對稱振蕩的諧振頻率(參見圖19，位置37)，此時由發生 器17或18在執行單元1內生成了非對稱駐波。這個波與其他類型的 波的區別在於，在其激勵期間位於板3的側表面5上的點的移動路徑 具有佔優勢的傾度。板3的長度L和高度H代表受激波的諧振維度。板3的厚度並 不代表諧振維度。因此，激勵波的主要變形分量總是相對於板3的主 表面4平行設置。板3在厚度方向上基本不變形。因此所生成的波代 表相對於板3的主表面4平行延伸的"表面，，波。
圖18中，位置31和32表示在執行單元1內生成非對稱駐波時 所形成的壓電板3的主表面4的兩個變形階段。該圖示在時間上偏移 了半個振蕩周期。非對稱駐波如圖18、位置33所示，其除了點34的 移動路徑之外還示出了板3的側表面5上的點35的移動路徑。線36 代表移動34的包絡曲線。這條非對稱地重複了表面15的移動。位置 33示出了點34的移動路徑從發生器17或18離開的佔優勢的傾度。
非對稱駐波自身諧振的發生和諧振頻率由所選擇的L/H之比以 及聲波振蕩發生器17， 18的結構實現方式所確定，其中這些發生器 相對於板3的對稱面15(發生器17， 18相對於對稱面15相互對稱地 放置)非對稱地放置(參見圖18，位置30)。最優L/H之比大約是 2.25。具有最優L/H之比的板的諧振頻率fa可以根據公式fa=N/L來 確定，其中N是針對各種類型駐波以及所使用壓電陶瓷材料的壓電陶 乾的頻率常數。對於PI陶資公司的壓電陶瓷PIC 181, N=4352kHz mm。
圖19示出了超聲馬達的修正實施例，其中摩擦元件25被固定在 板3的側表面5上。通過在板3內生成非對稱的駐波，摩擦元件25 和表面5在相對於移動摩擦軌道37傾斜的移動路徑上一起振蕩，這 迫使摩擦元件在遠離發生器17或18的方向上移動，並遵照施加有電 壓的發生器。
圖20示出了超聲馬達的修正實施例，其具有敷設到板3的側表 面5上的摩擦層26。通過在板3內生成一個非對稱駐波，點在傾斜路 徑上的摩擦層26的中心位置移動，迫使滑塊移動遠離被驅動的發生 器17和18。
圖21中，位置41示出了執行單元1的輸入阻抗Z和激勵電壓U 在50到550kHz範圍內的頻率之間的關係。該曲線圖示出了由PI陶瓷公司的壓電陶瓷PIC 181所製成的執行單元1,其尺寸是 16x6.6x3mm。位置38示出了激勵電壓U的相移V和該執行單元1 的電流I之間的關係(參見圖18,位置30)。
阻抗Z和頻率之間的關係(位置.41)表明僅在頻率fa的範圍內 出現特別好的諧振。這種諧振在這樣的寬範圍內特別好，其中在頻率 fa處，執行單元1的電阻大約比其他諧振頻率範圍時小10倍。
當頻率fa時的相移V的角度等於0時，能夠對基於自激勵原理
的執行單元1構建結構簡單的激勵單元，其中執行單元1的激勵電壓 的頻率由執行單元的機械參數預先確定。
這可以通過執行單元1在諧振頻率fa時的電抗由機械容量的電
抗所補償的事實來解釋，使得該頻率時的相移V變為0。即頻率尺度
上的相移的零點位置由執行單元1的重量和硬度來確定。
為了自動調整電壓U的頻率f。，其近似等於諧振頻率fa,所述控 制單元27的實施方式包括一個自動發生器28 (圖17)。
通常，自動發生器29的電路包括具有正反饋的各部分的閉合電 路，其中頻率fa處的相移分別等於0或360。，該頻率處的放大係數大於1。
圖22示出了自動發生器28的單通道改進形式的電路。該改進形 式中，各部分的閉合電路包括具有反饋元件47的執行單元1、具有放 大部分53的反饋環46、濾波部分54、斷路器55、功率放大器44和 變頻濾波器50。
在自動發生器的改進形式中，電阻器57代表反饋元件，其上的 電壓與流過執行單元的電流I成正比。放大部分53在反饋環46內起 到信號放大的作用。濾波部分54對反饋環46內通過放大元件53所 形成的反饋信號進行一次諧波的濾波。該放大器是用於執行單元1的 功率放大器44。變頻濾波器50用於調諧執行單元1上的半電橋末級 放大器51。
濾波部分54和變頻濾波器是具有大的通帶帶寬的帶通濾波器， 其諧振頻率被調諧到執行單元1的頻率fa。這些濾波器的通帶帶寬是頻率fa的10...30%。具有反饋元件47的電阻器57的執行單元1代表 窄帶濾波器，其通帶帶寬是0.5..丄0%。
元件50和54不會引起頻率fa處的任何相移，但會引起所有其他 頻率處的相移。頻率f;處不產生相移意味著如果相應選擇放大部分53 的放大係數，其中自動發生器28的整體電路在頻率fa處的放大係數
大於l，則自動發生器28總是在頻率fa處開始振蕩。由於具有反饋元
件57的執行單元1的通帶帶寬遠小於元件54和50的通帶帶寬，執 行單元l基本確定了自動發生器28的激勵頻率。
斷路器55允許反饋環46與功率放大器44的驅動器52分離，由 此停止了發生器28的自激。
如果自動發生器28到頻率fa所需的相移4艮小，則使用電容器58 作為反饋元件47。
圖23示出了自動發生器28的雙通道改進形式61。自動發生器 28包括通過反向開關48連接到反饋環46的通道62和63。通道62， 63和反向開關48被設置為一旦將通道62或63連接到反饋環46，導 電電極22或23就與零線導體和電源電壓輸入端45相分離。這提高 了執行單元1的效率。
在自動發生器28的所有改進形式中，變頻濾波器50的電容器 60可以被用作反饋元件47。這增加了反饋信號電平。
施加到電容器60的電壓相對於流過執4亍單元的電流I相移90°。 相移元件64在反饋環內起到相位補償的作用，使信號在相反方向上 偏移90°。
變頻濾波器50的串聯LC電路的電容器60的電容值等於在一個 激勵電極組和公共電極組之間形成的執行單元的電容值。這改善了變 頻濾波器的特性，使得其特徵電阻相對於執行單元1的電阻最優。
圖24示出了控制單元27的一個改進實施例，其還包括一個寬脈 衝電壓控制器65。寬脈衝電壓控制器65包括具有模擬控制輸入端71 並用於寬脈沖信號70的模擬信號轉換器。該轉換器生成通過功率放 大器68送往濾波器69的寬脈衝信號。施加到轉換器65的輸出端67處的電壓與輸出端71處的模擬電 壓成正比。電壓從輸出端67淨皮送往功率放大器44的電源電壓輸入端 45。輸入端45處的電壓變化導致執行單元1的激勵電平增大或減小。
轉換器70可包括一個同步輸入端72,後者直接連接到自動發生 器28的信號電路73,或通過倍頻器74連接到信號電路。
圖20中執行單元的改進形式如下工作只要來自控制單元27 的激勵電壓被施加到發生器17或18，執行單元1使滑塊39移動，滑 塊通過彈簧80按按壓向執行單元1的側表面5。滑塊的移動通過彈簧 80傳遞到夾具，從而移動導軌77上的透鏡組79。
由於本發明不再使用金屬聲波諧振腔，能夠將執行單元的尺寸減 小3到5倍。而且，本發明能夠將執行單元的激勵電壓減小大約100 倍。由於聲波諧振腔和壓電轉換器之間放棄使用粘合連接，執行單元 的工作穩定性顯著提高。本發明可以構造簡單的執行單元控制單元， 其中激勵執行單元的電壓的頻率由執行單元自身生成。這導致在很大 的溫度範圍和機械應力範圍內顯著增強了執行單元的操作穩定性。多 層技術使得製造工藝自動化，從而降低了製造成本。而且，控制單元 的簡單構造能夠大幅降低其成本。
附圖標記列表 1執行單元 2聲波諧振腔 3矩形壓電板 4板3的主表面 5板3的側表面 6板3的端面 7激勵電極 8公共電極 9壓電陶資層
10, 11 壓電陶瓷的極4匕方向12壓電陶資板3的極軸 13, 14 激勵電極組7 15對稱面
16對稱面和邊緣4及5的相交線 17， 18多層聲學駐波發生器 19， 20 7>共電極8的部分 21導電肩
22, 23， 24 導電電極
25摩擦元件
26摩擦層
27控制單元
28自動發生器
29控制單元27的方向選擇開關
30板3的示意表示
31， 32 板3的變形模式
33點的移動路徑
34點35的移動路徑
35側表面5的表面點
36移動路徑34的包絡曲線
37移動摩擦軌道
38彈簧
39滑塊
40拉簧
41執行單元1的阻抗/頻率關係
42執行單元1的相位/頻率關係
43單通道自動發生器
44自動發生器28的功率放大器
45功率放大器44的電源電壓輸入端
46反饋環47反饋元件
48自動發生器28的反向開關
49反向開關48的控制輸入端
50變頻濾波器
51半電橋末級放大器
52驅動器
53放大部分
54濾波部分
55斷路器
56斷路器55的控制輸入端 57作為反饋元件47的電阻器 58作為反饋元件47的電容器 59變頻濾波器50的感應線圏 60變頻濾波器50的電容器 61雙通道自動發生器 62， 63自動發生器61的通道 64反饋環46的相移元件 65寬脈衝電壓控制器
66寬脈衝電壓控制器65的電源電壓輸入端
67寬脈衝電壓控制器65的輸出端
68寬脈衝電壓控制器65的功率放大器
69寬脈衝電壓控制器65的濾波器
70用於寬脈衝信號的模擬信號轉換器
71模擬信號轉換器70的模擬控制輸入端
72模擬信號轉換器70的同步輸入端
73自動發生器28的信號電路
74倍頻器
75光學聚焦單元
76單元75的外殼77導軌
78光學透鏡組的夾具
79光學透鏡組
80異形彈簧
權利要求
1、尤其用於超聲馬達的壓電執行單元，其包括聲波諧振腔，其特徵在於，所述聲波諧振腔基本上被構造為帶有兩個主表面、兩個側表面以及兩個端面的矩形壓電板，在其內部具有多層結構，所述多層結構表現為激勵電極層，所述激勵電極與公共電極層和位於其之間的極化壓電陶瓷層交替設置，極化矢量相對於電極表面垂直延伸，所有激勵電極被分成兩個互不連接的組，這兩組電極相對於所述板的對稱面對稱放置，其中該對稱面相對於板的主表面和側表面垂直延伸，即通過這些表面的中心位置，每組激勵電極與公共電極以及位於其之間的壓電陶瓷層一起構成了一個多層聲波發生器，所述發生器相對於壓電板的對稱面對稱設置。
2、 如權利要求1的壓電執行單元，其特徵在於，公共電極由兩 個部分組成，這兩個部分的設置和激勵電極的設置相同。
3、 如權利要求1或2的壓電執行單元，其特徵在於，激勵電極 和公共電極被設置成平行於壓電板的端面。
4、 如權利要求1或2的壓電執行單元，其特徵在於，激勵電極 和7>共電極被設置成平行於壓電板的側表面。
5、 如權利要求1或2的壓電執行單元，其特徵在於，激勵電極 和公共電極被設置成平行於壓電板的主表面。
6、 如前述任一權利要求的壓電執行單元，其特徵在於，在壓電 板的至少一個側表面上安裝導電電極，所述導電電極將激勵電極和公 共電極彼此連接。
7、 如權利要求1到5之一的壓電執行單元，其特徵在於，在壓 電板的至少一個主表面上安裝導電電極，所述導電電極將激勵電極和 />共電極彼此連接。
8、 如權利要求1到5之一的壓電執行單元，其特徵在於，在壓 電板的各端面上安裝導電電極，所述導電電極將激勵電極和公共電極彼此連接。
9、 如權利要求1到8之一的壓電執行單元，其特徵在於，在壓 電板的至少一個側表面上設置摩擦元件。
10、 如權利要求1到8之一的壓電執行單元，其特徵在於，在壓 電板的至少一個側表面上設置摩擦層。
11、 如前述任一權利要求的壓電執行單元，其特徵在於， 一個控 制單元具有單通道或雙通道自動發生器。
12、 如權利要求11的壓電執行單元，其特徵在於，所述控制單 元包括單通道自動發生器，所述單通道自動發生器具有帶有變頻濾波 器的功率放大器、與反饋元件和反向開關相連接的反饋環，所述反向 開關交替地將功率放大器耦合到相應的聲波發生器。
13、 如權利要求11的壓電執行單元，其特徵在於，所述控制單 元包括雙通道自動發生器，所述雙通道自動發生器具有兩個功率放大 器、與反饋元件和反向開關相連接的反饋環，所述反向開關交替地將 反饋環耦合到自動發生器的相應通道。
14、 如權利要求12或13的壓電執行單元，其特徵在於，反饋元 件由電阻器、電容器或者這兩個並聯連接的元件構成，並且所述反饋 元件連接到壓電執行單元的公共電極組。
15、 如權利要求12或13的壓電執行單元，其特徵在於，反饋元 件包括串聯LC電路形式的變頻濾波器的電容，其連接到壓電執行單 元的z^共電極組。
16、 如權利要求15的壓電執行單元，其特徵在於，所述串聯LC 電路的電容器的電容值等於 一組激勵電極與 一組公共電極之間的執 行單元的電容值。
17、 如權利要求ll到16之一的壓電執行單元，其特徵在於，控 制單元還包括寬脈衝電壓控制器，其輸出端連接到所述單通道或雙通 道自動發生器的電壓源的輸入端，其控制輸入端構成了用於控制執行 單元激勵電平的模擬輸入。
18、 如權利要求17的壓電執行單元，其特徵在於，所述寬脈衝電壓控制器的同步輸入端直接連接或通過倍頻器連接到所述單通道 或雙通道自動發生器的信號電路。
全文摘要
本發明涉及一種尤其用於超聲馬達壓電執行單元，其包括聲波諧振腔，其中所述聲波諧振腔基本上被構造為帶有兩個主表面、兩個側表面以及兩個端面的矩形壓電板的形式，其內部具有多層結構，該多層結構表現為激勵電極層，其與公共電極層以及位於其之間的極化壓電陶瓷層交替設置，極化矢量相對於電極表面垂直延伸，所有激勵電極被分成兩個互不連接的組，這兩組電極相對於所述板的對稱面對稱放置，其中該對稱面相對於板的主表面和側表面垂直延伸，即通過這些表面的中心位置，每組激勵電極組與公共電極以及位於其之間的壓電陶瓷層一起構成了多層聲學駐波發生器，所述發生器相對於壓電板的對稱面對稱設置。
文檔編號H01L41/04GK101288185SQ200680030007
公開日2008年10月15日 申請日期2006年7月31日 優先權日2005年8月19日
發明者沃拉迪米爾·韋什紐斯基, 阿里克斯·韋什紐斯基 申請人:物理設備(Pi)兩合公司