压电振动器和具有压电振动器的超声波电机

具体实施方式

下面参考附图更加详细的描述本发明的实施方式。

图2为根据本发明第一实施方式的压电振动器的透视图。根据本发明第一实施方式的压电振动器30包括具有恒定长度和四边形截面的弹性构件31，以及具有相同尺寸并且分别接合到弹性构件31的各侧的四个压电元件33。

当电信号输入到压电元件33并且发生振动时，弹性构件31在纵向方向或者弯曲方向上振动，从而使得弹性构件的末端沿椭圆轨迹振动。这导致与弹性构件31的末端接触的振动物体(未显示)由于与弹性构件31的摩擦力而发生振动。

弹性构件31可以由具有弹性力的任何材料制成，例如黄铜或者不锈钢等。优选的，弹性构件31的长度为压电元件长度的两倍，以最大化弹性构件31上产生的振动。并且，如图2所示，通过将压电元件33与弹性构件31的一端对齐，在弹性构件31的另一端上产生的振动可以最大化。

尽管在第一实施方式中弹性构件31被描述为具有四边形截面，但本发明并不局限于此，可以使用具有任何截面而能够利用压电元件33的振动在纵向方向或者弯曲方向上振动的弹性构件31。例如，可以使用具有八边形截面的弹性构件，并且将分别定位在该弹性元件的各侧上的相邻的压电元件设置为具有相反的极化方向。

所有压电元件33具有相同尺寸并且通过环氧树脂等分别接合到弹性构件31的各侧。压电元件33的长度对应于弹性构件31长度的一半。同样的，当压电元件33分别接合到弹性构件31的各侧时，如图2所示，四个压电元件33的组装截面构成四边形。压电元件33的厚度根据压电元件33的尺寸和形状而确定。

压电元件33由具有压电效应的材料(压电材料)形成。适合的材料可以包括PZT基陶瓷和PbTiO3基陶瓷等等。适合的PZT基陶瓷的示例可以包括PZT和Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3陶瓷。压电元件33具有独特的振动特性，其中在输入到压电元件33的电信号频率与压电元件的特征频率一致时产生强振动。

导体电极(未显示)接合到压电元件33的一面，并且电信号被输入到电极。在压电元件33的一面上形成抛光部分35，通过机械加工等修整。这样防止了相邻压电元件33的电极之间的短路。

图3为显示根据本发明第一实施方式的压电振动器30中的压电元件33的极化方向的示意图。

如图3所示，接合到弹性构件31的相对侧上的一对压电元件33在相同方向上极化，从而在输入电信号时在弯曲方向上振动。同样，接合到弹性构件31的相对侧上的另一对压电元件33在相反方向上极化，从而在输入电信号时在纵向方向上振动。具有90°相位差的电信号被输入到各对压电元件。例如，可以提供具有sinωt(其中ω为角频率)频率的电压给在相同方向上极化的一对压电元件，而同时提供具有cosωt(其中ω为角频率)频率的电压给在相反方向上极化的一对压电元件。

如图3所示，与传统的压电元件13不同，压电元件33具有单极化方向，从而具有压电元件制造简便并且可降低制造成本的优点。而且，如同在下面将进行描述的，由于所有压电元件33在压电振动器30振动期间都被激励，所以可以增加振动量。

图4为显示根据本发明第一实施方式的压电振动器30中的压电元件相对于频率改变的导纳的图示。此处，弹性构件31由黄铜制成，具有8.0mm的长度和每边长度0.7mm的方形截面。压电元件具有长度4.0mm、宽度1.0mm以及厚度0.3mm。在图4中，横轴表示提供给压电元件33的信号的频率，而纵轴表示导纳，单位为 $>>S>=>>A>V>\; >s>[西门子]。并且，在图4中，在重叠曲线中在110kHz和200kHz附近具有两个峰值的那条曲线表示通过阻抗分析器对在相反方向上极化的一对压电元件测量的导纳，并且所述峰值表示第二和第三弯曲模式，而在200kHz附近具有单个峰值的另一条重叠曲线表示在相同方向上极化的另一对压电元件的导纳，并且所述单个峰点表示第一纵向模式。两条重叠曲线上方的曲线为振动器的总导纳，其中第一纵向和第三弯曲模式在200kHz附近结合。$

压电元件33的导纳越高，即压电元件的阻抗越低，压电元件33的振动越剧烈。如图4所示，压电元件33的导纳在某些频率大幅增长，而在这些频率处压电元件33的振动剧烈增强，这些频率为共振频率。

表1为使用ATILA^TM软件形成以表示图4中的导纳大幅增加的共振频率、反共振频率、机电耦合以及振动方向的表格。

表1

如图4和表1所示，根据第一实施方式的压电振动器30在共振频率Fr＝36307.5、119642以及199335(Hz)处在弯曲方向上剧烈振动，并且在Fr＝198706(Hz)处在纵向方向上剧烈振动。此处，由于第三弯曲和第一纵向振动的频率范围非常相似，因此提供该频率的电信号给压电元件31以产生振动。

此处，由于第三弯曲和第一纵向振动的频率范围非常相似，因此压电元件31在弯曲方向和纵向方向上同时振动。并且，由于对于第三弯曲和第一纵向振动的机电耦合最大，因此具有相同大小的电信号可以产生最大的机械振动。机电耦合表示电能量和机械能量之间的转换率，并且当对于一定的电输入产生很大的机械输出(例如偏移)时，可以称为具有很大的机电耦合。

图5为使用ATILA^TM软件得到的根据本发明第一实施方式的压电振动器30的纵向振动的图示，并且图6a和图6b为显示压电振动器30的弯曲振动的图示。

当输入电信号到压电振动器30时，弹性构件33如图5所示通过反复的延长和收缩而在纵向方向(L1纵向)上振动。此处，使用ATILA^TM软件设定的频率数为Fr＝198706(Hz)。并且，当输入频率Fr＝199335(Hz)时，弹性构件33通过三个弯曲经受B3弯曲运动，如图6a和6b所示。由于L1纵向和B3弯曲振动的结合，弹性构件31的一端沿椭圆轨迹振动。

与传统的压电元件不同，在根据本发明第一实施方式的压电振动器30中，在输入电信号时所有压电元件33都发生振动，从而不仅增加了振动，而且还减小了压电振动器的体积。

图7为根据本发明第二实施方式的压电振动器40的透视图。参考图7，根据第二实施方式的压电振动器40包括具有一对等尺寸的压电元件41a、41b的第一压电元件41，以及具有与第一压电元件41相比长度较短的一对压电元件43a和43b的第二压电元件43。

第一压电元件41通过堆叠一对相同的压电元件41a、41b而形成。第一压电元件41是由与上述第一实施方式的压电元件33相同的压电陶瓷制成的。导体电极(未显示)形成在第一压电元件41之间，将从外部源输入的电信号提供给第一压电元件41。并且，第一压电元件41的接合表面接地。第一压电元件41的一端与振动物体(未显示)接触以通过纵向和弯曲振动将驱动能量传递给振动物体。

第二压电元件43形成为一对相同的压电元件43a、43b，每个通过环氧树脂等接合到第一压电元件41a、41b的一面。在第二实施方式的压电振动器40中，第二压电元件43的一端与第一压电元件41的一端对齐。因此，类似于第一实施方式的弹性构件31，仅第一压电元件41的一端发生振动并且将振动力传递给振动物体。

第二压电元件43由压电陶瓷形成，具有与第一压电元件41相同的厚度和宽度。并且，将第二压电元件43的长度形成为第一压电元件41长度的一半可以最大化振动。在第二压电元件43的上面和下面形成导体电极(未显示)，通过所述导体电极将来自外部源的电信号传递给第二压电元件43。

图8为显示根据本发明第二实施方式的压电振动器40中的压电元件41、43的极化方向的示意图。参考图8，第一压电元件41在相反方向上极化，而第二压电元件43在相同方向上极化。当具有90°相位差的电信号被输入到第一压电元件41和第二压电元件43时，第一压电元件41使得整个定子主体在纵向方向上振动，而同时第二压电元件43使得整个定子主体在弯曲方向上振动。因此，由于纵向和弯曲振动的组合，第一压电元件41的两端沿椭圆轨迹振动。

图9a和图9b为使用ATILA^TM软件得到的根据本发明第二实施方式的压电振动器的振动的图示。如图9a和9b所示，与第一实施方式一样，根据第二实施方式的压电振动器40能够进行L1纵向和B3弯曲振动。

对于根据第二实施方式的压电振动器40中的压电元件41、43，可以看到，压电元件的制造更加简单，因为每个压电元件41a、41b、43a、43b具有相同的极化方向。并且，由于第一压电元件41和第二压电元件43同时振动，所以压电振动器可以具有简单结构并且改善振动性能，同时可以减小压电振动器40的体积。而且，通过根据第二实施方式的压电振动器40，仅通过压电元件41、43产生振动，从而允许高效率和简单的制造。

图10为根据本发明第三实施方式的压电振动器40’的透视图。参考图10，根据第三实施方式的压电振动器40’包括具有一对相同尺寸的压电元件41a，、41b，的第一压电元件41’，以及具有与第一压电元件41’相比长度较短的一对压电元件43a’和43b’的第二压电元件43’。

第一压电元件41’和第二压电元件43’的组成与上述第二实施方式的压电元件中的第一压电元件41和第二压电元件43相同。与第二实施方式的不同在于第二压电 元件43’位于第一压电元件41’的中心。

第二压电元件43’的纵向中心与第一压电元件41’的纵向中心重合。因此，当电信号输入到第一压电元件41’和第二压电元件43’时，第一压电元件41’的两端均沿椭圆轨迹振动。

图11为显示根据本发明第三实施方式的压电振动器40’中的压电元件41’、43’的极化方向的示意图。参考图11，第一压电元件41’在相反方向上极化，而第二压电元件43’在相同方向上极化，这与第二实施方式的压电元件的极化方向相同。

图12a和图12b为使用ATILA^TM软件得到的根据本发明第三实施方式的压电振动器的振动的图示。如图12a和12b所示，根据第三实施方式的压电振动器40’经历L1纵向和B3弯曲振动，与上述第一和第二实施方式的压电振动器相同。第一压电元件41’的两端同时沿椭圆轨迹振动。

对于根据第三实施方式的压电振动器40’中的压电元件41’、43’，可以看到，压电元件的制造更加简单，因为每个压电元件41a’、41b’、43a’、43b’具有相同的极化方向。并且，由于第一压电元件41’和第二压电元件43’同时振动，因此压电振动器可以具有简单结构并且改善振动性能，同时可以减小压电振动器40’的体积。而且，由于通过根据第三实施方式的压电振动器40’，仅通过压电元件41’、43’产生振动，从而允许高效率和简单的制造。

图13为根据本发明第四实施方式的压电振动器的透视图。根据第四实施方式的压电振动器50包括堆叠成多层的相同的压电元件51，在压电元件51之间形成的导体电极53，以及从压电元件51一侧突出的突出部分55。

压电元件51具有相同的尺寸并且堆叠成多层。压电元件51由与上述第一至第三实施方式中的压电元件33、41、41’相同的压电陶瓷形成。将电信号提供给压电元件51的电极形成在压电元件51的两面上。尽管在图13中压电元件51形成有七层，但本发明并不局限于此，根据压电元件51的尺寸和所需的振动量等等，可以堆叠六层或者更少或者八层或者更多。

突出部分55从压电元件51的一侧突出到外部预定长度。由于压电元件51在纵向和弯曲方向上的振动，突出部分55沿椭圆轨迹振动。由于突出部分55与振动物体(未显示)接触，所以通过突出部分55可使振动物体发生振动。

由于突出部分55利用与振动物体的摩擦力传递驱动能量，因此可以在突出部分55上形成耐磨构件。所述耐磨构件可以包括各种材料，包括玻璃材料，例如苏打、铅、硼酸盐(例如Pyrex^TM(一种硼硅酸耐热玻璃))、冕牌玻璃(crowns)、燧石(flint)、重燧石(heavy flint)以及石英玻璃等等，或者陶瓷材料，例如矾土、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化钨以及碳化钛等等。

图14为根据本发明第四实施方式的压电振动器50的导体电极53的示例的透视图。参考图14，电极53包括在压电元件51的最上面形成的上部电极53a，在最下面形成的下部电极53b，以及顺次堆叠在压电元件51的各面上的第一至第六内部电极53c1、53c2、53c3、53c4、53c5、53c6。

如图14所示，上部电极53a和第二内部电极53c2具有相同图案，并且第一内部电极53c1和第三内部电极53c3具有相同图案。同样的，第四内部电极53c4和第六内部电极53c6具有相同图案，并且第五内部电极53c5和下部电极53b具有相同图案。而且，第一内部电极53c1和第三内部电极53c3具有与第四内部电极53c4和第六内部电极53c6在电极的长度和宽度方向上对称的图案。并且，上部电极53a和第二内部电极53c2与下部电极53b和第五内部电极53c5在电极的长度和宽度方向上对称。上部电极53a、下部电极53b以及第一至第六内部电极53c1、53c2、53c3、53c4、53c5、53c6被用于极化压电元件51并且提供电信号。根据第四实施方式的电极53并不限于图14所示，显然，本领域技术人员可以作出各种修改。

sin和-sin被输入到上部电极53a，并且cos和-cos被输入到下部电极53b。因此，具有四个相位的电信号被输入到根据第四实施方式的压电振动器50。由于sin和-sin以及cos和-cos被输入到上部电极53a和下部电极53b，因此可以产生具有相对大小为2sin(或者2cos)的电信号输入。

图15为显示根据本发明第四实施方式的压电振动器中的压电元件的极化方向的示意图。如图15所示，所有相邻的压电元件51在相反方向上极化。并且，每个压电元件51具有一个极化方向。

图16a和图16b为使用ATILA^TM软件得到的根据本发明第四实施方式的压电振动器50的振动的图示。如图16a和16b所示，根据第四实施方式的压电振动器50在纵向方向上以265kHz振动，并且在B2模式中在弯曲方向上以267kHz振动。因此，由于频带范围相同，所以压电振动器50同时振动。

由于根据第四实施方式的各层的压电振动器50中的所有压电元件51具有一致的极化方向，因此可以看到，压电元件的制造更加简单。而且，由于所有压电元件51同时振动，所以压电振动器可以具有简单的结构，具有改善的振动性能，同时可以减小压电振动器50的体积。

下面，参考图17至图19描述根据本发明第五实施方式的超声波电机70。

图17为根据本发明第五实施方式的超声波电机70的分解透视图，图18为图17所示的超声波电机70在组装状态下的透视图。图19为图17和图18所示的超声波电机的组装截面图。

参考图17，基于本发明一个方面的超声波电机70包括外壳71，插入外壳内的压电振动器80，对压电振动器80的后端施压的第一压力构件73，对滑动器79a、79b施压的第二压力构件75，以及对第一压力构件73施压的板簧77。

外壳71封装压电振动器80、第一压力构件73、第二压力构件75、板簧77以及滑动器79a、79b。外壳71包括：振动器封装部分715，其中插入压电振动器80；滑动器插入孔713，其容纳滑动器79a、79b；第一压力构件安装槽717，其中插入第一压力构件73；第二压力构件插入孔711，其中插入第二压力构件75；以及弹簧插入槽719，板簧77插入穿过该槽。

振动器封装部分715形成在外壳71的中心。尽管压电振动器80的两端均通过外壳71与外部隔离，但其他部分暴露于外部。压电振动器80插入并且固定在振动器封装部分715中。滑动器插入孔713通到振动器封装部分715。

滑动器79a、79b的一部分插入穿过滑动器插入孔713。由于滑动器插入孔713的直径略大于滑动器79a、79b的直径，因此滑动器79a、79b可以自由上升和下降。滑动器插入孔713通到振动器封装部分715并且垂直于第二压力构件插入孔711而形成。

第二压力构件75a、75b的两端均插入穿过第二压力构件插入孔711。第一压力构件安装槽717为在外壳71的一端沿长度方向形成的槽，具有狭槽形状且一侧的末端敞开。第一压力构件73安装到第一压力构件安装槽717内，以对插入到振动器封装部分715内的压电元件80的后侧施压。弹簧插入槽719为在外壳71上沿垂直方向形成的槽，并且插入弹簧插入槽719中的板簧77对第一压力构件73施压。

根据第一至第四实施方式的压电振动器30、40、40’、50可以适用于压电振动器80。突出部分81形成在压电振动器80的一端上，其中突出部分81利用摩擦力使滑动器79a、79b沿垂直方向移动。压电振动器80的组成与第一至第四实施方式相同，因此省略其详细描述。

滑动器79包括插入穿过滑动器插入孔713以接触压电元件80的突出部分81的第一滑动器79a，以及用于导引第一滑动器79a以防止其旋转的第二滑动器79b。由于如图19所示的第一滑动器79a与压电振动器80的突出部分81接触，因此由于突出部分81的振动该第一滑动器79a在垂直方向上移动。

第一压力构件73为具有圆形截面的杆。如图19所示，第一压力构件73与压电振动器80线接触。因此，第一压力构件73可以精确垂直的对压电振动器80施压。通过板簧77可以防止第一压力构件73从第一压力构件安装槽717脱出。

第二压力构件75为插入穿过第二压力构件插入孔711的具有圆形截面的杆，并且如图19所示，将第一滑动器79a压向压电振动器80。第二压力构件75可以形成三个或者更多。板簧77通过弹性力的方式将第一压力构件73压向滑动器79。因此，压电振动器80的突出部分81和第一滑动器79a始终接触。

尽管参考特定实施方式详细描述了本发明的实质，这些实施方式仅具有示例目的而并不限制本发明。可以理解，本领域技术人员可以改变或者修改这些实施方式而不背离本发明的范围和实质。

根据本发明一个方面，其实施方式如上所述，可以提供压电振动器和具有所述压电振动器的超声波电机，由于其不需要经过两次极化过程，因此能够减少制造时间和成本。

根据本发明另一个方面，可以提供压电振动器和具有所述压电振动器的超声波电机，可以避免由于压电元件的去极化导致的性能下降。

根据本发明又一个方面，可以提供压电振动器和具有所述压电振动器的超声波电机，可以减小体积并且改善振动性能。