CN116300371A - 尤其用于制表业的旋转压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特别是用于时计的旋转压电马达（1），该马达（1）包括：‑转子（3），其被配置成能够旋转和致动机械设备，‑定子（2），其被配置成使转子（3）旋转，该定子（2）包括压电致动器，该压电致动器设置有被布置成执行摆动运动的谐振器（29），定子（2）包括固定元件（4）并且谐振器包括可移动元件（5），可移动元件（5）被布置在距固定元件（4）一定距离处并连接到固定元件（4），压电致动器被配置成使可移动元件（5）抵靠转子（3）移动，以使转子（3）旋转，可移动元件（5）的移动使转子（3）在第一方向上旋转。
Description
技术领域
本发明涉及旋转压电马达的技术领域。本发明还涉及设置有这种旋转压电马达的时计的技术领域。
技术背景
制表业常用的电动马达为“Lavet”型旋转马达，其基于电磁物理原理操作。通常，此种马达包括设置有绕组的定子和磁化的转子，该转子通过绕组的相移致动而旋转。
然而，这些马达对强磁场的抵抗力有限。从磁场的给定值开始，马达被锁定。通常，在超过2mT的磁场作用下，它们会被锁定。
因此，为避免该问题，有必要设计基于其它物理原理操作的马达。
例如，存在带梳齿的静电马达，诸如专利CH709512中所述的静电马达。然而，这些梳齿占据了很大的空间，而且它们比“Lavet”型马达消耗更多的能量。
例如在专利EP0587031中还开发了基于压电马达的马达。然而后者仅限于日期的致动。然而，它的高消耗和过早磨损的风险不允许驱动秒针，这通常需要更多的能量。
发明内容
本发明旨在提供一种旋转压电马达，其可以承受高电磁场，同时保持适当的能量消耗和体积。
为此，本发明涉及一种尤其用于时计的旋转压电马达，该马达包括：
-转子，其被配置成能够旋转和致动机械设备，
-定子，其被配置成使转子旋转，该定子包括压电致动器，该压电致动器设置有被布置成执行摆动运动（mouvement oscillatoire）的谐振器。
本发明的显著之处在于，定子包括固定元件，并且谐振器包括可移动元件，该可移动元件被布置在距固定元件一定距离处，并连接到固定元件，压电致动器被配置成使可移动元件抵靠转子移动，以使转子旋转，可移动元件的移动使转子在第一方向上旋转。
由于压电致动器，具有此种配置的定子可将旋转运动轻松传递到转子。实际上，可移动元件可以移动，以便与转子接触，从而在第一方向上传递运动。因此，当谐振器摆动时，可移动元件与转子接触并向其传递力以使其在第一方向上旋转。
根据本发明的特定实施例，谐振器包括至少一个柔性臂，优选两个柔性臂，并且可能三个或四个柔性臂，其通过一端连接到定子的固定元件，且通过另一端连接到定子的可移动元件，优选围绕可移动元件成角度分布。
根据本发明的特定实施例，当可移动元件与转子接触时，可移动元件在与第一方向相反的第二方向上执行轨道运动。
根据本发明的特定实施例，在马达操作期间，可移动元件总是与转子接触。
根据本发明的特定实施例，可移动元件的移动使得转子连续旋转。
根据本发明的特定实施例，可移动元件不可自身旋转移动。
根据本发明的特定实施例，可移动元件具有环状形状，转子布置在环内。
根据本发明的特定实施例，可移动元件和可移动转子之间的接触在环内。
根据本发明的特定实施例，转子包括具齿的轮，环包括与具齿的轮的外齿系配合的内齿系。
根据本发明的特定实施例，臂执行径向往复运动，使得可移动元件摆动并移动它。
根据本发明的特定实施例，可移动元件围绕转子布置。
根据本发明的特定实施例，臂由两个连续臂之间相移
的信号致动，N是臂的数量。
根据本发明的特定实施例，谐振器以对应于其固有频率的频率摆动。
根据本发明的特定实施例，马达包括通过直流偏置电压或通过改变交流电压的幅度来恒定或暂时调节每个臂的机械张力的装置。
根据本发明的特定实施例，转子和/或定子通过微加工获得，例如由硅或金属制成。
根据本发明的特定实施例，转子包括柔性叶片，以用于在发生冲击时保持与可移动元件的齿轮传动。
本发明还涉及一种包括钟表机芯的时计，该钟表机芯包括齿轮传动装置，该齿轮传动装置被配置成使至少一根指针旋转，并且该时计还包括压电马达，该压电马达被布置成致动齿轮传动装置。
附图说明
参考附图，出于指示性和非限制性目的，其它特性和优点将从以下说明中清晰呈现，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的旋转压电马达的第一实施例在停止时的俯视图，转子和定子没有接触，
图2示意性地示出了根据本发明的旋转压电马达的第一实施例在操作中的俯视图，转子和定子在6点钟位置处接触，
图3示意性地示出了根据本发明的旋转压电马达的第一实施例在操作中的俯视图，转子和定子在9点钟位置处接触，
图4示意性地示出了根据本发明的旋转压电马达的第一实施例在操作中的俯视图，转子和定子在12点钟位置处接触，
图5示意性地示出了根据本发明的旋转压电马达的第一实施例在操作中的俯视图，转子和定子在3点钟位置处接触，
图6示意性地示出了根据本发明的旋转压电马达的第一实施例在停止时的仰视图，
图7示意性地示出了根据本发明第一实施例的旋转压电马达的截面侧视图，
图8示意性地示出了根据本发明的旋转压电马达的第二实施例在停止时的俯视图，转子和定子没有接触，以及
图9示意性地示出了根据本发明的旋转压电马达的第二实施例的仰视图，
图10示意性地示出了根据本发明的旋转压电马达的第三实施例在操作中的俯视图，马达受到冲击，以及
图11是曲线图，在该曲线图上表示了由于对压电马达的冲击而产生的加速度，以及具齿的轮的运动。
具体实施方式
图1至图7显示旋转压电马达1的第一实施例。特别地，该马达可用在时计中，以致动显示设备（如布置在表盘上的指针）。压电马达1基本上在平面内延伸。
压电马达1包括转子3，转子3可自身旋转移动，并被配置成可旋转和致动机械齿轮传动装置，尤其用于显示设备。压电马达1包括定子2，定子2被配置成致动转子3并使其旋转。
转子3包括布置在压电马达1中心处的具齿的轮9。例如，轮9安装在轴13上，轴13在每个端部处设有枢轴15，这些枢轴安装在轴承16中，使得轴13能够旋转。轮9包括外环28和位于中心处的轮毂27，轮毂27通过刚性钉19连接到环28。轴13包括平行于轮9的小齿轮21，小齿轮21布置成将轮9接收的运动传递到齿轮传动装置17，例如传递到时计的机芯。轮9在环28上设有***齿系10，其允许致动轮9。
优选地，转子3和/或定子2包含硅，优选完全包含硅。可替代地，当定子2由硅制成时，转子3由金属制成以限制磨损和摩擦，反之亦然。
仍可替代地，通过微机械加工，转子3和/或定子2优选全部包含诸如石英、镍（通过金属电沉积或LIGA型工艺获得）或金刚石（通过ALD型沉积获得）等材料。
定子2包括不可移动的固定元件4和可移动元件5，其被配置成致动转子3的轮9。可移动元件5布置在固定元件4的一定距离处。可移动元件5具有围绕转子3布置的环状形状，转子3布置在环内。可移动元件5在环上设有内齿系12，内齿系12与具齿的轮9的***齿系10配合以使其旋转。该环大于转子3，以便能够将转子3***。
固定元件4具有形成圆形内部空间的形状，可移动元件5和转子3布置在该圆形内部空间中。
定子2还包括结合到谐振器的压电致动器25，以执行摆动运动，从而在可移动元件5处产生轨道运动。谐振器包括可移动元件5，并连接到固定元件4。
谐振器包括三个柔性臂6、7、8，其通过一端连接到定子2的固定元件4，并且通过另一端连接到定子2的可移动元件5。柔性臂6、7、8围绕可移动元件5成角度地分布。因此，对于三个臂6、7、8，两个连续的臂之间以120°的角度布置。
可替代地，根据其它实施例，压电致动器包括具有两个臂的谐振器，也可能有四个臂。具有两个臂的话，角度为180°，而具有四个臂的话，角度为90°。
压电致动器被配置成使可移动元件5抵靠转子3移动，以使转子3旋转。臂6、7、8执行径向往复运动，以便使可移动元件5在基本水平的平面内交替摆动。
优选地，臂6、7、8由晶体或多晶材料形成，例如硅，臂6、7、8的厚度可使它们变形。臂包括压电材料层，以便能够被电激活。每个臂6、7、8包括侧向并置的两个压电材料层23、24，每个层23、24连接到彼此相反的极性。每个层23、24通过接触表面终止在固定元件4上，通过该接触表面，电压通过图中未示出的电路被提供给层23、24。
因此，通过电激活压电材料层23、24，臂6、7、8在中心和向外的方向上交替侧向变形。激活是用交流电压产生的。
优选地，马达1包括用于调节每个臂6、7、8的机械张力的装置，特别是能够围绕转子3使轨道运动居中，或者略微改变马达1的固有频率。例如，通过偏置电压，调节装置是恒定的。可替代地，通过改变交流电压的幅度，调节装置是暂时的。
每个臂6、7、8从固定元件4的内边缘到可移动元件5的外边缘呈大致圆弧。该弧形成大于180°并且可能大于250°的角度。因此，每个臂包围可移动元件5的一部分。两个连续的臂6、7、8部分重叠。臂6、7、8的长度被选择为可移动元件5应该覆盖的距离的函数。
臂6、7、8由交变信号致动，交变信号可为正弦形、方形或梯形。传递到臂6、7、8的信号在两个连续的臂之间相移
，N是臂的数量。
因此，三个臂6、7、8由两个连续臂6、7、8之间具有120°相移的信号同时激活。在具有两个臂的实施例中，相移为180°，而4个臂的话，相移为90°，依此类推。
通过压电层的变形，臂发生变形。通过致动臂6、7、8，这些臂通过接近和远离马达（即转子3）的中心来执行交替的径向往复运动。连接到固定元件4的端部不移动，但是连接到可移动元件5的端部移动最多。因此，可移动元件5在臂6、7、8的变形作用下移动。
臂6、7、8之间的相移导致可移动元件5的轨道运动，优选为圆周运动。可移动元件5执行圆周运动，同时保持自身不可旋转移动。因此，旋转运动在一个方向上传递到转子3，如图2所示。
优选地，可移动元件5的运动是连续的，并使转子3连续旋转。为此，在马达操作期间，可移动元件5总是与转子3接触。可移动元件5和转子3之间的接触在环内是可移动的。
图2至图5显示了不同的连续时间点，转子3和环之间的接触点P在环内移动。环（其内部空间大于转子3）的轨道运动在环和转子3之间产生可移动的接触点P。在每个时间点，环的内齿系12的不同部分与具齿的轮9的***齿系10啮合。因此，转子3被驱动自身旋转。
在图2中，可移动元件5被抬起，使得接触点P位于具齿的轮9的底部处，即6点钟位置处。在图3中，可移动元件5向右移位，使得接触点P到具齿的轮9的左侧，即在9点钟位置处。然后，可移动元件5下降，使得接触点P位于具齿的轮9的顶部处，即12点钟位置处，如图4所示。最后，在图5中，可移动元件5向左移位，使得接触点P到具齿的轮9的右侧，即3点钟位置处。从一个附图到下一个附图，可移动元件5已经执行四分之一圈的轨道运动。
如图1所示，当可移动元件5反向旋转时，可移动元件5远离转子3，不再与转子3接触。因此，旋转运动不会在另一个方向上传递到转子3，转子3仅在一个方向上旋转。
例如，转子3的齿系10包括56个齿，而可移动元件5的齿系12包括60个齿。因此，接触点的速度和转子的速度之间的减小系数r由下式给出
，其中，Zm指的是可移动元件5的齿数，Zr指的是转子3的齿数。因此，在我们的示例中，
。这种减小是有利的，因为它直接结合到马达中，从而减少例如驱动指针所需的额外减速齿轮系的数量。
优选地，转子3的齿系10的至少一个齿与可移动元件5的齿系12接触，以传递运动。因此，避免了转子3被锁定的风险。可以确定可移动元件5和转子3的尺寸，使得只有齿系10的一个齿与转子3的齿系12接触。
优选地，直流电压单独施加到每个臂6、7、8，使可移动元件5的摆动中心移动，以便补偿可能的自然偏心，且从而提高马达1的效率。
优选地，施加到臂6、7、8的能够使可移动元件5摆动的交流电压的幅度是可变的，从而使可移动元件5的摆动完全为圆形，以补偿轨迹可能的自然椭圆化，从而也提高了马达1的效率。
如果希望使转子3在另一个方向上旋转，只需反转施加到谐振器的电压极性。因此，臂6、7、8的运动导致定子2的可移动元件5在另一方向上旋转。在致动模拟显示器的情况下，这允许在两个方向上设置指针的位置。
在表的情况下，马达1的谐振频率或自然频率与石英的频率相适应，石英用于设定机芯的运转。选择对应于石英频率的约数的激励频率，通常为32764Hz。例如，选择128Hz的频率。优选地，用激励频率调节和调谐马达1的频率，使得其摆动幅度不低于最大幅度的90-95%。
通过改变可移动元件5的质量和/或臂6、7、8的刚度来调节频率。例如，可以在可移动元件5下面装配环18，以降低其重量，从而降低其摆动频率。例如，环18包括镍银，优选完全包括镍银。
为了提高频率，可以通过去除材料来使其变轻，例如通过激光或铣削。由于这些过程允许非常精确的调节，它们将优选地用于用石英调谐马达。
与其负载耦接的马达谐振峰的大小应足够高，即远高于石英的谐振峰。这就是为什么可以通过改变马达的激励频率来略微改变马达的速度，而不会损失太多的幅度，例如补偿冲击或任何其它干扰后的速度损失，以便使石英时基再次与指针的位置对准。
图8和图9显示与第一实施例相似的压电马达30的第二实施例。不同之处在于转子3设有阻尼装置。转子3的轮9包括连接承载外齿系40的环38和轮毂37的柔性叶片49。在该实施例中，转子3设置有三个成角度地分布在转子的轮中的柔性叶片49。每一个均形成螺旋形圆弧部分。
因此，如果马达30剧烈摇晃，柔性叶片49通过它们的变形吸收施加在转子3上的冲击。轮39是软的，以避免将冲击传递到轴。与第一实施例类似，轴的轴承也可包括附加的阻尼装置。
图10示出了类似于第二实施例的压电马达50的第三实施例，在压电马达50操作期间，冲击施加到定子2的固定元件4。该冲击在箭头所示的方向上产生加速度
，这导致可移动元件5在与箭头相反的方向上移动Xm，从而脱离转子3。然而，由于转子3的柔性叶片49的变形，转子3也在与可移动元件5相同的方向上移动Xr。因此，转子3保持与可移动元件5接触，以便尽管有冲击也能齿轮传动。转子3的质量和柔性叶片49的弹性使得转子3能够遵循与可移动元件5相同的轨迹。因此，保持了可移动元件5的齿轮传动和轨道运动。
在图11的图表中，由于从左至右水平施加的冲击，加速度
遵循表示加速度/>
的冲击曲线或波。可移动元件5的运动Xm和转子3的运动Xr遵循阻尼曲线，该阻尼曲线遵循曲线。
有利地，选择转子3和可移动元件5的质量，以及转子3的柔性臂49在冲击方向上的刚度，以及可移动部分5的柔性臂6、7、8的刚度，以使轨迹Xm和Xr重合。
在该实施例中，冲击根据X轴施加。当然，冲击可在X、Y平面的任何方向上施加，同时保持转子3和可移动元件5的齿轮传动。
有利地，选择转子3和可移动元件5的质量，以及转子3的柔性臂49在冲击方向上的刚度和可移动部分5的柔性臂6、7、8的刚度，以保持转子3和可移动元件5之间的齿轮接触，而不管冲击的方向和强度。
在图中未显示的与前述实施例中的全部相似的压电马达的第四实施例中，通过在臂6、7、8中感应的压电电压对冲击进行电子检测。例如，在马达1、30的操作期间，臂6、7、8中的一个可经由检测装置的晶体管暂时从致动器模式切换到检测器模式。因此，检测装置周期性地检测在齿轮传动点转动的三分之一持续时间内是否有冲击。在适当的情况下，其可执行下一个激励信号的校正，例如通过暂时增加所施加的交流电压的幅度，以在冲击期间和之后强制接触。
应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对上文公开的本发明的不同实施例进行对本领域技术人员来说显而易见的各种修改和/或改进和/或组合。
Claims (17)
1.一种特别是用于时计的旋转压电马达（1、30、50），所述马达（1、30、50）包括：
-转子（3、33），其被配置成能够旋转和致动机械设备，
-定子（2），其被配置成使所述转子（3、33）旋转，所述定子（2）包括压电致动器，所述压电致动器设置有被布置成执行摆动运动的谐振器（29），
其特征在于，所述定子（2）包括固定元件（4）并且所述谐振器包括可移动元件（5），所述可移动元件（5）被布置在距所述固定元件（4）一定距离处并连接到所述固定元件（4），所述压电致动器被配置成使所述可移动元件（5）抵靠所述转子（3）移动，以使所述转子（3）旋转，所述可移动元件（5）的移动使所述转子（3）在第一方向上旋转。
2.根据权利要求1所述的压电马达（1、30、50），其中，所述谐振器（29）包括至少一个柔性臂（31、32），优选两个柔性臂，并且可能三个或四个柔性臂，其通过一端连接到所述定子（2）的所述固定元件（4），并且通过另一端连接到所述定子（2）的所述可移动元件（5），优选围绕所述可移动元件（5）成角度分布。
3.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），其中，所述可移动元件（5）在与所述第一方向相反的第二方向上执行轨道运动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），其中，在所述旋转马达操作期间，所述可移动元件（5）总是与所述转子（3、33）接触。
5.根据权利要求3或4所述的压电马达（1、30、50），其中，所述可移动元件（5）的移动使得所述转子（3、33）连续旋转。
6.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），其中，所述可移动元件（5）具有环状形状，所述转子（3、33）布置在环内。
7.根据权利要求6所述的压电马达（1、30、50），其中，所述可移动元件（5）和所述可移动转子（3、33）之间的接触在环内。
8.根据权利要求6所述的压电马达（1、30、50），其中，所述转子（3、33）包括具齿的轮（9、39），所述环包括与所述具齿的轮（8、38）的外齿系（12）配合的内齿系（10）。
9.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），其中，所述可移动元件（5）不可自身旋转移动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），其中，所述臂（6、7、8）执行径向往复运动，使得所述可移动元件摆动并移动它。
11.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），其中，所述可移动元件（5）围绕所述转子（3、33）布置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），其中，所述转子（3、33）和/或所述定子（2）通过微加工获得，例如由硅或金属制成。
13.根据权利要求2和前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），包括用于通过直流偏置电压或通过改变交流电压的所述幅度来恒定或暂时调节每个臂（6、7、8）的所述机械张力的装置。
14.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），其中，所述臂（6、7、8）由两个连续臂之间相移
的信号致动，N是所述臂的数量。
15.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），其中，所述谐振器（29）以对应于其固有频率的频率摆动。
16.根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（30、50），其中，所述转子（33）包括柔性叶片（49），以用于在发生冲击时保持与所述可移动元件（5）的齿轮传动。
17.一种包括钟表机芯的时计，所述钟表机芯包括被配置成使至少一个指针旋转的齿轮传动装置，其特征在于，所述时计包括根据前述权利要求中任一项所述的压电马达（1、30、50），所述压电马达（1、30、50）被布置成致动所述齿轮传动装置。
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