[发明专利]用于超声马达的压电执行单元

说明书

本发明涉及一种用于旋转超声和线性马达的压电执行单元。其可以被应用到线性和旋转运动的驱动马达中。另外，其可以用于驱动仪器底盘、光学透镜、光学写入和读取头以及其他类似的需要很高的定位精度、小尺寸的驱动系统以及低供电电压的设备。

已知的用于超声马达的压电执行单元包括用于声波的金属谐振器，其上粘贴有片状的压电元件，该元件在谐振器内激励声波(参见US5,665,918；US5,672,930)。

这些执行单元的缺陷在于尺寸较大，这由金属谐振腔的尺寸所限定。另外，这些执行单元的压电活动部分的体积很小，而压电元件厚度很大，这大大降低了机电耦合系数，使得激励电压相当高。这类执行单元还具有复杂的结构，这需要手工装配组件，因此增加了制造成本。

其他已知的用于超声马达的压电执行单元(参见US5,134,334；US5,416,375)，其压电元件作为薄的层体组连接到金属谐振腔。这些执行单元的缺陷在于尺寸较大、结构复杂并且制造成本高。

另外已知的用于超声马达的压电执行单元由压电板构成，所述板的两个主表面上安装了电极(参见US6,384,515；US7,714,833)。

其缺陷是这些执行单元需要很高的激励电压。这是由于使用了低机电耦合系数的弯曲谐振腔。该类执行单元的最大激励电压达到300V_eff。另一个显著的缺点是在弯曲谐振腔内存在第二个纵向谐振腔。这使得执行单元的控制更加困难，其结果是很难构造基于自激励原理工作(即激励频率由执行单元本身预先确定)的简单激励电路。这导致显著降低了驱动器的热稳定性，降低了执行单元的操作安全，并使得制造更加昂贵。

另外还已知用于超声马达的小型压电执行单元，其中多层压电元件被按压到金属谐振腔的主体内(参见US2004/0256954A1)。这些执行单元尺寸减小，并且具有低激励电压。

这些执行单元的操作原理是基于在谐振腔内激励谐振频率互相接近的两种类型的驻波。因此，为了反转移动元件的移动，激励电路的频率必须从一个谐振频率调谐到另一个。这不允许设置基于自激励原理的激励电路，其频率由执行单元的机械参数预先确定。因此降低了执行单元的操作稳定性，激励电路的结构变得更加复杂，并且驱动系统整体也更加昂贵。

本发明的目标是提供一种改进的通用类型的压电执行单元，其特征是具有更小的尺寸、较低的激励电压、更高的操作稳定性和安全性，以及简易控制和低廉的制造成本。

该目标通过包含权利要求1所述特征的设备来实现。本发明的构思的有用实施例在从属权利要求中进行限定。

本发明还包括在构造实施例中构造一个用于超声马达的压电执行单元，其具有一个用于该执行单元的控制单元，其能够在控制单元内实现根据自激励原理工作的简化构造的激励设备，其激励频率由执行单元的机械参数预先确定。

提供了一种用于超声马达的压电执行单元，其由带有多层声学驻波发生器的声波谐振腔构成，所述声波谐振腔被构造为带有两个主表面、两个侧表面以及两个端面的矩形压电板，其内部具有多层结构。该多层结构表现为激励电极层，这些激励电极层与公共电极层和极化压电陶瓷层交替设置，极化矢量相对于电极表面垂直延伸。所有的激励电极被分成两个互不连接的组，这两组电极相对于所述板的对称面对称地放置。其中该对称面相对于板的主表面和侧表面垂直延伸，即通过这些表面的中心位置，每组激励电极与公共电极以及位于其之间的压电陶瓷层一起构成了该多层声波发生器，所述发生器相对于压电板的对称面对称设置。

在压电执行单元的优选一个实施例中，公共电极可以由两个部分组成，这两个部分的设置和激励电极的设置相同。这增加了使用上述执行单元的可行性。

在执行单元的各个实施例的修正方式中，激励电极和公共电极可设置成平行于压电板的端面。这增加了执行单元变形的纵向分量。

在用于超声马达的执行单元的其他修正方式中，激励电极和公共电极可设置成平行于压电板的侧向边缘。这增加了执行单元变形的垂直分量。

在执行单元的下述优选实施例中，激励电极和公共电极可设置成平行于压电板的主表面。这补偿了执行单元的纵向和垂直变形分量之间的不同激励强度。

在上述执行单元中，在超声马达的压电板的至少一个侧表面上安装导电电极，所述导电电极将激励电极和公共电极彼此连接。

将激励电极和公共电极彼此连接的导电电极也可以安装在压电板的至少一个主表面上。

将激励电极和公共电极彼此连接的导电电极还可以安装在压电板的各端面上。

所有这些设置增强了根据本发明的执行单元的构造可行性。