CN1035213A

CN1035213A - 行波电机

Info

Publication number: CN1035213A
Application number: CN88109300.9A
Authority: CN
Inventors: 春日政雄; 森孝幸; 塚田伸雄
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1987-12-29
Filing date: 1988-12-28
Publication date: 1989-08-30
Also published as: US5006746A; DE3854264D1; EP0325062B1; EP0325062A2; US5056201A; EP0325062A3; DE3854264T2

Abstract

一种利用定子上产生的弹性行波驱动转子的行波电机，定子有一个弹性振动体和一个装在弹性振动体一侧的陶瓷压电振动子。振动体的中央部分被固定和支撑在设置于基台上的中轴上，在振动体最外面圆周内侧，在彼此压触的振动体和转子之一上设有供驱动用的输出引出凸块。振动体和压电振动子沿径向按主振动模式激励。

Description

本发明涉及一种行波电机，例如利用超声振动、含有产生行波的机电传感器和行波驱动的可动部件的小型超声电机。

一个公知的超声电机是利用Langevin振动子作为驱动源的驻波型电机。在US-A-4，019，073专利文献中公开了这样的电机。另一种公知的超声电机是行波型电机，它利用定子上产生的行波来驱动安装在定子上的转子。行波电机在定子和转子间的摩擦传输表面上产生较小的损耗，并且与驻波型电机相比能较容易地在相反于旋转方向上驱动。在US-A-4，513，219（Katsuma等）、US-A-4，562，374（Sashida）和EP-A-169，297（Tokushima）的专利文献中公开了这种类型的行波电机。

图2是行波电机中行波发生原理的一个例子。标号201表示压电陶瓷、压电晶体组成的压电传感器，它在宽度为b的相等的间隔上被极化，相邻极化彼此相反，如图示方向。在每个压电传感器上通过蒸发或者镀上诸如银、镍之类的导电材料形成电极202，用每一根上加有来自不同信号源的高频电压的信号线203、204将这些电极连接起来。此外，在各自用信号线203、204连接的电极组之间提供宽度为c的空隙。在这种情况下，宽度为c的空隙没有极化和电极。这里，为了说明方便起见，跨在宽度c上的电极的中心之间的距离用a表示。行波发生的机理将参考图2和图上给出的参考符号进行说明。取电极部分的中点作参考，可用下列方程式表示含有行波和反向波的弯曲振动波。

A sin（ωt-Kx）+A sin（ωt+Kx） ……（1）

这里，（a）表示所谓的驻波。那么，在电极部分上的弯曲振动波可表示如下：

B sin〔ωt-K（x+a）+φ〕+B sin〔ωt+K（x+a）+φ〕……（2）

式中：K＝ω/ν＝2π/λ

λ：波长，φ：相差角度

在方程式（2）中，-Ka+φ＝απ ……（3）

Ka+φ＝βπ

则方程式（2）可表示如下：

B sin（ωt-Kx+απ）+B sin（ωt+Kx+βπ） ……（4）

因此，由（1）、（2）激励的弯曲振动波可以采用使方程式（1）和（4）放在一起的形式来表示。这时若从方程式（4）推导研究仅有行波的条件，不用说，在α是偶数和β是奇数的情况下，它就会出现。这时，用α和β方程式表示的a和φ根据方程式（3）可以给出如下：

a＝ (λ)/4 （β-α） ……（5）

φ＝ (π)/2 （α+β）

因此，当（α，β）＝（0，1），（2，3）时，a (λ)/4 ，φ＝ (π)/2 ，当（α，β）＝（2，1）时，a＝ (-λ)/4 ，φ＝ 3/2 π，当（α，β）＝（0，3）时，a＝ 3/4 λ，φ＝ 3/2 ，这样，当a和φ各自同时满足条件时，就出现唯一的行波分量。例如，若研究a＝ 3/4 λ，b＝ (λ)/2 和φ＝ 3/2 π时的情形，此时，方程式（1）+方程式（2）将是：

A sin（ωt-Kx）+A sin（ωt+Kx）+B sin（ωt-Kx）

-B sin（ωt+Kx） ……（6）

这时，若驱动电路产生的高频电压信号的幅度A和B是A＝B，那么，方程式（6）将为2A sin（ωt-Kx），不用说，只剩下行波分量。

此外，对于反向驱动，只要留下反的波分量，所以，方程式（5）中的α和β将颠倒过来，这样，α和β分别为奇数和偶数。当以（1）为基准从实际出发研究时，加给（2）的信号的相位与正向驱动的情形比较要移相180°。

图3是行波电机按照行波分量转动的原理。标号301表示振动子部件，当压电振动子连接到弹性件上时，该振动子部件可产生弯曲振动。现在根据图2所示原理产生向右的行波时，振动子部件301表面上的一点画出向左的椭园轨迹，所以转子部件302在行波前进方向相反的方向上运动。上面所讲的在NIKKEI MECHANICAL杂志（1985年9月23日）和其它文章中已有报道，其上也给出了有关振动子部件301表面上一点画出椭园轨迹的详细描述。

Katsuma等人和Sashida公开了应用Ling型压电零件的行波电机。图4示出了此类行波电机的一个例子。此类行波电机实质上由环行振动体403和其上安装的可动体405组成。振动体在其上有一个环形压电振动子404。振动体403通过支撑机构406固定在机座402上。在环形压电振动子上，在两个电极组之间提供长度为电极弧长一半的气隙。将90°相差的交流信号加到两电极组上，就产生行波。另一种类型应用盘形压电零件的行波电机在Tokushima的欧洲专利上公开了。图5表示此类行波电机。在该图中，定子是用带有齿状环形凸块的盘形弹性振动体503构成。振动体503在其上有一个盘形压电振动子504。可动体505安装在振动体的凸块上，并有一个用作转动导向器的中心轴。在中心轴上装有调压装置，以在振动体和可动体之间产生适当的接触压力，使得行波分量能有效地传到可动体上。振动体支撑并固定在基座上构成的两个环形凸块上。盘形压电振动子由许多电极组成，电极配置的方式如图6所示。在相等的间隔上分开的电极图样601a设置在压电振动子一侧平面的差不多半园部分上，在相等的间隔上同样分开的电极图样601d通过空白区域601b和601c设置在其余差不多半园部分上，601b为向左在0.5间距上，601c在相对的端部为1.5间距。压电振动子被极化，使得相邻的电极图样处于相反的方向。

对于本情况下的装配，如几乎半园的金属板导电地连接在每个几乎半园的电气上同极的电极区段，并且将相位差90°的信号经两根引线加在其上，由此产生行波。

在上述类型的行波电机中，如果它的结构包含环形振动体，因为压电振动子激励出的弹性模式的行波没有振动节点，由于所提供的支撑结构，行波被大大地阻尼到一定程度。由于这个原因，机电转换效率是低的。

如果行波电机的结构包含盘形振动体，其优点是振动体可在基座的径向方向上在两处受到基座的固定和支撑，这是因为振动体沿振动体径向被激励在副振动模式。在本发明任务的薄和小尺寸行波电机的情况下，按照节点位置的散布，支撑区域和力的大小，效率的恶化也是完全不可避免的，同时，因为要激励在副振动模式上驱动频率超过100千赫，可能导致电路效率的恶化。

如果利用有图6所示的电极图样的压电元件，在一个半园部分激励出一个驻波，在其余半园部分从其中激励出相差为90°的驻波，彼此不同的驻波相互传播到在反面的半园部分，于是两个驻波合成后产生行波，所以产生两个驻波的源头单方面地归结于半园，因而不能激励出均匀的行波。作为表明此现象的定量数据，如能够观察到叫做“Sprious”的一些与幅频特性曲线上谐振点处的上升不同的峰值。因此电机的机电转换效率恶化了。

本发明的目的在于提供一种有薄和小直径形状的行波电机。

本发明的另一目的在于提供一种低电耗的行波电机。

本发明的再一个目的在于提供有高机电变换效率的行波电机。

本发明的更进一步目的在于提供用低驱动频率信号驱动的行波电机。

本发明的再进一步目的在于提供一种振动子的振幅与已有的结构相比有较小衰减的行波电机。

本发明的目的由利用振动体上产生的弹性行波来驱动可动体的行波电机来完成，该行波电机包括固定行波电机的基台，其有一个支撑装置的基体，采用使振动体与支撑装置形成一体的方式来卡紧受到支撑的振动体，一个固定在振动体一面上并相对于振动体径向将行波激励在主振动模式上的压电振动子，一个置于振动体上的可动体，一个设置在振动体和可动体之一上的环形凸块以使振动体通过该凸块在振动体最外面园周的里面部分与可动部分进行接触，以及一个装在可动体上用来在可动体和振动体之间产生适当接触压力的压力调节器。上述支撑装置可由起着可动体旋转中心作用的支撑轴来构成。上述压力调节器可固定在轴上。上述环形凸块可设置在可动体上。环形凸块含有齿形的位移。可动体在与振动体凸块接触的位置上可有另一个环形凸块。可动体环形凸块的宽度可比振动体的窄些。在环形凸块里面位置上的振动体的厚度比环形凸块外面位置上的薄些。支撑装置可由导电材料做成。压电振动子可制成盘形并有一中心孔。压电振动子在其上有电极图样。电极图样含有在以4的倍数的相等间隔上分成许多隔开的电极的电极图样和供短路用的使得隔开的电极轮流地与短路图样连接以形成两组电极的两个短路图样。压电振动子的极化要使得形成由两个相邻隔开电极构成一组的每个部分轮流地极化成正和负电位。压电振动子在其最外面的园周上有环形空白部分。压电振动子在中心孔的园周上有环形空白部分。隔开电极中的一个有标记图样。

图1是与发明有关的行波电机的纵向剖视图。

图2是行波发生的原理图。

图3是行波电机旋转的原理图。

图4和图5是已有技术行波电机的纵向剖视图。

图6表示已有技术行波电机的压电元件电极图样的平面图。

图7（a）是表示振幅测量点的局部剖视图。

图7（b）是表示振幅测量点与振幅之间的关系的附图，此时振动子零件用不锈钢制成。

图7（c）是表示振幅测量点与振幅之间的关系的附图，此时振动子零件用黄铜制成。

图8（a）表示输出引出位置的局部剖视图。

图8（b）是当振动子零件用不锈钢制成时表示不同的输出引出位置的说明性附图。

图8（c）是当振动子零件用黄铜制成时表示不同的输出引出位置振动子振幅差异的说明性附图。

图9表明压电元件电极图样的平面图。

图10表明另一种压电元件电极图样的平面图。

图11表明又一个压电元件电极图样的平面图。

图12（a）表明压电元件反面电极图样的平面图。

图12（b）表明另一个压电元件电极图样的平面图。

图13表明又一个压电元件电极图样的平面图。

图14（a）表明极化工艺之前蒸发的隔开的电极图样的平面图。

图14（b）表明极化工艺之后蒸发的隔开的电极图样的平面图。

图15是与发明有关的另一种行波电机的纵向剖视图。

图16（a）表明振动子部件的平面图。

图16（b）表示振动子部件的剖视图。

图17是与发明有关的另一种行波电机的纵向剖视图。

图18表示所加频率和阻抗之间关系的图形。

图19是行波电机的等效电路图。

图20表示所加频率和旋转频率之间关系的图形。

优选实施例的详细说明

图1是与发明有关的行波电机的纵向剖视图。通过螺纹或者以压入的方式使中轴1与基台2合成一澹艺穸?在结构上在中央部分与中轴合成一体。由此，振动子本体3含有一个诸如不锈钢、黄铜、硬铝或其它类似物的弹性零件，并且实质上支撑在中心部分的中轴1上。中轴1、基台2较振动子部件3、压电传感器5和其它物件有足够高的机械谐振频率，且其结构要使得几乎不会由于承载的影响出现振动的漏泄（Leak）和衰减。压电传感器5是中心带有孔的至少一个或多个压电陶瓷，或者是由沿园周隔开的几个扇形体组成的压电陶瓷，有几个沿园周设置电极的图样的压电传感器在反面与振动子部件3设置输出引出位置4的表面连接起来。中轴可由导电材料例如金属来构成。这样，在反面设置的与振动子本体接触的反面电极在电气上通过振动子本体与中轴接触。以中轴1作为旋转中心的导向件的可动体6要配置得以便由压力调节簧片7实现与振动子部件3上建立的输出引出位置4的部分相接触。在本实施例中，压力调节簧片是板状的，并且架设在除基台2或与发明有关的行波电机之外的部分上，它的安置要使得将压力加到在可动体6中央部分设置的凸块上。这样，由压力调节簧片7在可动体6上产生的压力为N，振动子部件3和可动体6之间的摩擦系数为M，从振动子部件3的中心到输出引出位置4的距离为a，则在可动体6上产生的转动力矩T是T＝MNa左右。输出引出位置4的设置要使得将由振动子部件3和压电传感器5组成的振动子所激励的行波分量的极小的挠性振动幅度高效地变换为可动体6的旋转运动。这可由振动子部件3和可动体6彼此接触的凸块，它只设置在振动子部件3或可动体6至少一个上的方式来达到。在本实施例中，将环形凸块8设置在可动体6上，以便在输出引出位置处与振动子本体接触。通常，由对可动体的运动作出贡献的行波所产生的椭园轨迹的分量在振动子部件3的径向每个位置的园周方向有速度差和相移，所以这些因素导致自旋分量引起对可动体6的旋转运动发生制动。因此，最好如上述用在振动子部件3或可动体6的一部分上沿径向设置输出引出位置的方式引出挠性振动。其中，本发明最大的特征在于输出引出位置4。也就是说，相对于小的尺寸和低功耗的范围内，与发明有关的行波电机是小结构的，所以振动子的机械谐振频率不可避免地变高。一般说，超过100千赫的频率最终导致驱动***电路效率的恶化，所以如振动子存在的波的数量是2到4，那一定是由主振动模式沿径向激励的。当根据驱动频率的工作实际上所激励的是主振动模式时，振幅随接近外径而大起来，并在最外的园周上达最大值。因此，可以想象将输出引出位置安置在振动子的最外的园周上，在此，可动体6可与其进行接触，但若可动体6在振幅最大位置实现接触，振动子的总振幅实际上将衰减到极限值，这样唯一获得的旋转运动充其量也不过是转矩弱的旋转运动。也就是说，由压力调节簧片7产生的压力不能设定得太高，且电机效率会呈现低值。于是将输出引出位置4设置得越靠近内园周，振动子上产生的振幅衰减得就越少。但如将输出引出位置4有意地设置在中轴上，这时由于在这部分上的振幅本身是小的，也只能产生弱旋转运动。因此，如果振动子部件3的半径取为r，存在着相应于从中心到输出引出位置4的距离a的最佳值。当振动子的半径为5毫米，厚度为1毫米或更小的情况下，该值随中轴1的直径而变化，从电机的效率考虑，最好将a设定在大约 2/5 r≤a≤ 4/5 r的区间内。详细的叙述在下文给出。

如上所述，当激励在驱动频率时，振动子部件3和压电传感器5进入径向主振动。为了较高的电机效率，希望将用作摩擦驱动可动体6的输出引出位置4设置在振动子部件3的里面部分，而不是在其最外面的园周上，在本实施例中将用作输出引出位置4的凸块置于可动体6的一侧，且可动体6的直径小于振动子部件3的外径，实际上其以大于a为条件。

图7（a）至7（c）指出与本发明有关的行波电机的径向特性，其中（a）是与本发明有关的行波电机的局部纵向剖视图，表示沿径向每个不同位置A、B和C上振幅测量的部位。由于本发明的行波电机是薄和小尺寸的，且不能忽略接触型位移计自身重量的影响，而采用光学非接触型位移计作为振幅实际的测量手段。图7（b）和（c）是由于在振动子部件3和压电传感器5上激励的行波在A、B和C的每个径向点所测得的振幅图。所获得的曲线的条件是：沿园周方向激励的波数为3，振动子部件3和压电传感器5的外径和厚度分别为10毫米和0.3毫米以及按两种方式加3伏0-峰和10伏0-峰的振荡电压。其中（b）表示的是振动子3为不锈钢材料，径向主机械谐振频率为45千赫左右的情形，而（c）表示的是振动子部件3为黄铜材料，径向主机械沿振频率为39.5千赫左右的情形。将图7（b）和（c）进行比较可知，径向位移的分布一般随着接近外园周而变得大起来，并且在最外面的园周上达最大值。

图8（a）至8（c）表示由于输出引出位置的不同振动子振幅上的差异，说明由于振动子部件和可动体彼此接触位置的不同，振动子部件振幅的差异。与图7（a）的情况相同，图8（a）是与本发明有关的行波电机的局部纵向剖视图。由于作为输出引出位置的A、B和C部分沿径向位置上的不同，以及可动体实质上只在A、B和C位置上与振动子部件3接触，这里将测量振动子的每个频率特性。也就是说，与A、B和C的每个位置接触的带形凸块设置在可动体上，每个可动体依次重新安装在振动子部件3上，由此比较振动子振幅的衰减。此外，本情况可动体的自身重量是0.3克。压电传感器5由两个电路构成，测量振动子振幅频率特性的方法包含这样的技术，其周期电压在一个电路上扫掠引燃，从而使振动子受到驻波激励，根据压电效应在另一电路侧上产生的反向的电动力由频谱分析仪进行富里哀变换。图8（b）和（c）用图表示出振动子机械谐振点附近的振幅衰减模式，实际上是通过前面提到的技术，采用依次重新安装可动体只与A、B和C的每个位置相接触的方法得到的。在本情况中的振动子部件3和压电传感器5的结构和图7的相同，所加的电压为5伏0-峰。此外，（b）代表振动子部件（3）是不锈钢材料的情形，（c）表示它是黄铜材料的情形。与图7的情形一样，由图8（b）和（c）的比较可以得知B是在谐振点处的最大振幅比A小，而C比B小，与材料无关。这就是说，随着可动体接触振动子部件的位置愈接近外园周部分，衰减就愈增大。此外，在附图上的特性E表示在其上没有安装可动体的受试验的振动子的频率特性曲线，不用说，该曲线代表最大振幅。而且，只要装上重量为0.3克左右的可动体，A与E没有可观察到的差别，可动体接触在位置A也可得到振动子几乎为自由状态中的振幅。

现在综合图7和图8的结果，当与本发明有关的行波电机按驱动频率工作沿径向激励在主振动模式时，随着它接近外园周，振幅就增大，但当可动体配置得只与外园周部分接触时则相反，振幅衰减就增大，这是缺点。因此，可以说最佳值取决于可动体和振动子部件接触处的输出引出位置。考虑到由于将该值设置在最外面的园周上衰减变得过大，相反，当它设置在最里面的园周上时最小，同时考虑到如果没有从中心到半径r的约 1/5 部分支撑在作为电机结构的中轴1上，不当的输出引出位置可引起克服可动体所加压力的增强，最好将振动子到可动体的输出引出位置设置在 2/5 r≤a≤ 4/5 r范围内。上述情况表明，在该区间上振动子部件和压电振动子自由状态的振动，对将振动子部件表面上产生的极小的、可变换为可动体旋转运动的椭园振动的衰减减至最小是有作用的。根据振动子部件和压电传感器的外径和厚度，以及可动体的压力差就可对输出引出位置决定其最佳值，该值将处于 2/5 r≤a≤ 4/5 r范围内，这样，甚至在与本发明有关的行波电机加上低电压，也可实现高效和平滑的旋转运动。

按照前述结构，由于振动子部件在径向上利用了主振动模式，驱动频率能被降低，且因为可动体受到压力并接触在置于振动子部件最外面园周里面部分上的输出引出位置上，此振动子部件的振幅和可动体与振动子部件外园周最大位移部分进行接触的情况相比较，有较小的衰减，因而高效率地变换为可动体的旋转运动。

进一步说，将振动子部件卡住并支撑在其中心上使得与中轴成一体，在大多数情况下甚至这样薄和小尺寸的振动子部件能够稳定和容易地被支撑住，而没有行波衰减。

图8和图9是表示用作行波激励的压电传感器电极图样的平面图，指出了连接在与本发明有关的行波电机一侧的压电传感器具体的、能实现行波激励的电极图样。

图9的扇形电极9a至9d设置在中央部分带有孔的压电振动子5的一侧，每个电极的弧长，包括相邻电极之间的空隙，差不多为所激励出的行波波长的 1/4 。有如图所示作用的极化，相同信号加到9a和9c上，相移为90°的信号加到9b和9d上，从而激励行波。如上所说，因为每个电极弧长为 1/4 波长，9a至9d的4部分形成一个波长。因此本实施例代表波数为3的情况。在附图中参考附号+表示正电场在反面加到电极上给出的极化，参考符号-表示负电场在反面加到电极上给出的极化。由此，反面电极与正面电极或整个覆盖着的电极一样具有相同的定位和相同形状的电极。

图10描绘了另外一种电极图样，扇形电极9a至9d设置在中央部分有一个孔的压电传感器5的表面上，相当于电极9a至9d弧长 1/2 左右的电极15a至15d置于电极边界之间。所加的极化如图所示，当按照图2所示的规则将相位不同的高频电压输入到9a至9d的每个电极上时，将激励出行波分量。此时可将另外一组电极15a至15d用作行波电机的频率跟踪和速度变化的探测，利用在振动子部件激励时产生的反电动电压的电平和相位作探测信号，当振动子部件激励时所产生的寄生振动极微，因而增强了行波分量时，该组电极也可用作驱动。图11是用在本发明的行波电机压电元件上的另外一种电极图样，沿园周方向等间隔划分的扇形电极图样9a至9d形成在中心有孔的压电元件5的一侧平面上，相邻的两个图样9a和9b在相同方向被极化，如图所示紧接在后面的两个图样9c和9d在相反方向被极化，在极化后，沿着外园周形成供短路9a和9c的电极图样9e，沿着内园周形成供短路9b和9d的电极图样9f。对于极性，交替地配置了两个不同的电极，即外园周短路电极和内园周短路电极，对于极化方向，电极按每对交替地在相反方向上配置，这样得到了4个电极。由于将相差为90°的信号同时加在外园周短路电极和内园周短路电极上，产生的4个电极图样9a至9d形成一个波长的机械行波。

如上所述，及时地产生两个相位不同的驻波的信号源没有单方面地归结于每个象图4那样的半园，而是将这些信号源彼此均匀地配置在象图11那样覆盖全部园周的每个 1/4 波长上，所以产生了覆盖全部园周的均匀的行波。

按照上述结构，不管波的数目仅采用两根引线就能产生机械行波，且环绕着全部压电元件能均匀地产生两个驻波，由此产生了均匀的行波，而观察不到寄生波及其它的。因此提高了机电变换效率，引线数为最少，结构简化了，所以可有利地达到小型化和简化生产过程的要求。图12（b）表示压电传感器的另一种电极图样，其上的外园周和压电传感器中心孔的周围分别设置环形空白部分16和17，以防止两侧间的泄漏电流和在加高电压进行蒸发极化工艺过程时由多余的电极材料产生的火花电流。

如果按上述设置了空白部分16和17，其反面可有完全覆盖的电极。

如果按图12所示将空白部分18设置在反面最外面的园周上，可不需要正面上的空白部分16。

图13表示压电传感器的另外一种电极图样，其上外部短路电极为带标记的部分。标记部分也可设置在内部短路电极上。采用标记部分以便在极化工艺时和在连接引线时区别每个电极所极化的方向。

图14（a）和14（b）表示在压电传感器上蒸发图13所示电极的工艺过程。在进行图14（a）中的极化工艺之前，采用适当的掩膜，将分隔开的电极图样20a至20L蒸发在压电传感器上，分隔开的电极图样20a、20c、20e、20g、20i和20k在外园周上被延长了，另一方面，其余的电极图样20b、20d、20f、20h、20j和20L在中心孔处被延长了。彼此对置的两个电极图样20b和20h各自在内部端点有较宽的一段，这是考虑到极化工艺过程后在蒸发电极时要使压电传感器略微旋转。

图样可用作为压电材料接触材料的铝电镀膜，覆盖在铝电镀膜上实现焊接引线的镍膜以及覆盖在镍膜上以防止氧化和起导电作用的金膜制成。

在极化工艺过程之后，在图14（b）上，蒸发外电极图样21a至21f和内园周图样22a和22b，完成图13所示的电极结构。

图15是表示与本发明有关的行波电机的另一实施例的纵向剖视图。与图1情形一样，通过螺纹或者以压入的方式使中轴1与基台2合成一体，且振动子部件3在结构上在中央部位与中轴1合成一体，从而实现中心固定的支撑结构。本实施例的特征在于在振动子部件3和可动体6进行接触以将行波分量变换为旋转运动的输出引出位置处设置位移增大机构4a。一般情况下，对可动体6的旋转运动有贡献的椭园轨迹的横向速度分量的最大值Umax可表示为：

Umax＝-2π²fξ（T/λ）

式中：f为驱动频率

ξ为纵向振幅

T为振动子厚度

λ为行波波长

所以必须增大振动子的厚度以提高旋转频率。由于只增加厚度，机械刚度过分地增大，谐振频率也变高起来。因此，可行的是在振动子部件3的带形园周上设置凹凸不平的齿状位移增大机构4a。从电机效率出发，最好是将位移增大机构4a设置在如前所述的振动子部件3径向位置上 2/5 r≤a≤ 4/5 r的范围内。而且位移增大机构4a在结构上可与振动子部件3合成一体，由于这某葑垂辜枰叱杀荆越直鸬刂圃煳灰圃龃蠡?a，然后再与振动子部件结合。在这种情况下也可用塑料坚固地构成位移增大机构4a。与图1片状压力调节簧片结构不同，本实施例的给可动体6加压力的机构比较紧凑，包括可装在中轴1上的制动器9，由十字簧片或类似物组成的压力调节簧片7，还有用作压力调节器的垫圈12以及其它零件。

图16表示位移增大机构的具体例子，这里有等间隔装在嵌带上的凹槽的齿形位移增大机构4a在振动子部件3半径的中间部位构成。如果凹槽的间隙过分地扩大，那么与可动体的接触面积就减少，因此旋转频率和转矩将降低。另外，如果齿在纵向上保持这样的高度，齿本身将提供振动模式，位移增大机构4a因此失去作为刚体的功能，相反地导致电机效率的恶化。为了达到电机的高效率，位移增大机构里面园盘部分的厚度a₁可比外面部分的厚度a₂薄些。

图17是根据本发明应用图11所示压电传感器电极结构的行波电机的剖视图，其上连接了压电传感器5的振动子部件3通过压入或类似方式支撑在中轴1上，中轴1固定在基台2上。可动体6从振动子2的上方与作为导向件的中轴1结合在一起，并由其上的压力簧片7使可动体6紧贴在振动子部件3上。两根引线14中的一根14a安装在图11外园周短路电极9a、9c、9e的一个零件上，另一根引线14b通过焊接等方式安装在内园周短路电极9b、9d、9f的一个零件上。由于相差90°的信号同时加在两根引线14上，振动子2产生机械行波，紧贴在振动子部件3上的可动体6旋转。

可动体的环形凸块8的宽度可做得比位移增大机构的齿形凸块4a的宽度窄些，因此如可动体的材料比位移增大机构4a的材料软，则可动体的接触部分被磨损。

如前所述，位移增大机构4a设置在振动子部件3径向位置上的 2/5 r≤a≤ 4/5 范围。

图18表示对图17所示行波电机加高电压于它的一根引线和振动本体之间而得到的高阻抗特性曲线的一个例子。阻抗特性曲线是在可动体与主体分离的条件下测得的。电机有以下的技术条件。

从上述数字可以知道，除在主谐振点处外，觉察不到寄生分量。

图17所示的行波电机可表示成如图19所示的等效电路。在该图中的L₁、C₁、R₁、C₀和R_L分别表示串联电抗、串联电容、串联电阻、并联电容和负载电阻。R₁的数值代表行波电机中的损耗，如振动子的内部损耗和支撑部分的机械损耗。

因此，R₁的数值代表压电振动子电极结构的效率。

图17所示应用图11所示电极结构的行波电机，其有图17所示相同构造但应用了图6所示已知技术电极结构的行波电机的等效常数如下所示。

图11所示电极结构的R₁值是图6所示已知技术电极结构的一半左右。

从上面R₁值可以得知图11所示电极结构比图6所示的有较高的效率。

图20表示应用图11所示电极结构的图17所示行波电机的旋转频率和频率间的关系曲线。该关系曲线是在驱动电压为6伏峰-峰正弦波，可动体对振动本体的接触压力为10克力左右的条件下测量的。从该图可以看出旋转频率在比较宽的范围内变化，并且最大旋转频率可超过3000转/分。尽管如此，按照与本发明有关的电机结构，在薄和小尺寸的行小电机上可实现高效率的运行。

根据本发明的行波电机，可保证在用简单构造以薄和小尺寸的结构达到高效率运行的效果，其振动部件固定并支撑在设置于基台的中轴上，其配置以实现压触在置于里面靠近振动子部件最外面园周部分的输出引出位置上，且使激励的驱动频率置于振动子部件径向主振动模式上。

因此可将行波电机用于精密设备的领域。如用作电子精确计时装置的电机时，可获得已有技术从未得到的优点，如：齿轮组数目能被削减，可逆驱动能实现不受磁铁影响的低速高转矩，且干扰几乎对高保持力矩不发生影响。

Claims

1、一种利用振动体产生的弹性行波驱动可动体的行波电机，其特征在于该电机包括：

固定上述行波电机的基台，上述基体有支撑装置；

受到固定和支撑的振动体，采用使上述振动体与上述支撑装置结合成一体的固定和支撑的方式；

固定在上述振动体一侧以便相对于径向在上述振动体上激励主振动模式行波的压电振动子；

装在上述振动体上的可动体；

装在上述振动体和上述可动体之一上的环形凸块，以便上述振动体经该凸块与上述可动体在上述振动体最外面园周内的一部分接触；以及

装在上述可动体上以便在上述可动体和上述振动体之间产生适当接触压力的压力调节器。

2、按权利要求1的行波电机，其特征在于上述支撑装置由作为可动体旋转中心的支撑轴构成。

3、按权利要求2的行波电机，其特征在于上述压力调节器固定在轴上。

4、按权利要求1的行波电机，其特征在于上述环形凸块设置在可动体上。

5、按权利要求4的行波电机，其特征在于上述环形凸块含有齿形位移。

6、按权利要求4的行波电机，其特征在于上述可动体在与振动体的上述凸块接触的位置上有另外一个环形凸块。

7、按权利要求6的行波电机，其特征在于可动体的上述环形凸块的宽度较振动体的窄些。

8、按权利要求4的行波电机，其特征在于振动体在上述环形凸块内侧位置上的厚度较该环形凸块外侧位置上的薄些。

9、按权利要求1的行波电机，其特征在于上述支撑装置用导电材料制成。

10、按权利要求1的行波电机，其特征在于上述压电振动子做成盘形并有一个中心孔。

11、按权利要求10的行波电机，其特征在于上述压电振动子上有电极图样。

12、按权利要求11的行波电机，其特征在于：上述电极图样包括以4的倍数在相等间隔上分成许多隔开的电极的电极图样和两个供短路用的短路图样，使得隔开的电极轮流地与上述短路图样连接以形成两组电极。

13、按权利要求12的行波电机，其特征在于上述压电振动子被极化使得构成由两个相邻隔开的电极组成为一组的每个部分轮流地极化为正和负电位。

14、按权利要求12的行波电机，其特征在于上述压电振动子在其最外面的园周上有一个环状空白部分。

15、按权利要求12的行波电机，其特征在于上述压电振动子在中心孔的周围有一个环状空白部分。

16、按权利要求12的行波电机，其特征在于上述隔开的电极中的一个有标记图样。

17、一种利用振动体产生的弹性行波驱动可动体的行波电机，其特征在于该电机包括：

由弹性材料制成的盘形振动体;

一个盘形且固定在上述振动体一侧以便相对于径向在上述振动体上激励主振动模式行波的压电振动子;

装在上述振动体上的可动体;以及

在上述压电振动子上设置的电极图样，其包含以4的倍数在相等间隔上分成许多隔开的电极的电极图样和两个供短路用的短路图样，使得隔开的电极轮流地与上述短路图样连接以形成两组电极。

18、按权利要求17的行波电机，其特征在于上述压电振动子被极化使得构成由两个相邻隔开的电极组成的一组的每个部分轮流地被极化为正和负电位。

19、按权利要求17的行波电机，其特征在于上述压电振动子在其最外面的园周上有一个环状空白部分。

20、按权利要求17的行波电机，其特征在于上述压电振动子有一个中心孔且在中心孔的周围有一个环状空白部分。

21、按权利要求17的行波电机，其特征在于上述隔开电极之一有标记图样。