具有改進阻抗匹配的換能器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及換能器的改進，換能器也被稱為致動器。
【背景技術】
[0002] 圖1示出了理想的簡單支撐分布式模式致動器（壓電致動器）10(其也被稱為換 能器）的說明圖。壓電諧振元件11保持于理想的簡單支撐支架12中。支架12抑制元件 11在任何方向上進行任何平移運動，同時允許圍繞在梁端部的旋轉點進行旋轉運動。這構 成了理想的簡單支撐。換能器被示出為安裝到機械地面13,并且將功率或力或速度14耦合 到未示出的負載中。
[0003] 圖2示出了慣性壓電致動器20(也被稱為換能器）的說明圖。壓電諧振元件21 安裝在耦合器22上。耦合器22本身安裝到要被驅動的負載23。耦合器22將功率或力或 速度24耦合到負載23中。
[0004] 圖3示出了作為負載阻抗的函數的、如圖1或圖2所示的代表性換能器的速度和 力的示意圖，還示出了所得的功率。負載阻抗從零變化到最大（其是無限的），但在這里表 示為1。
[0005] 示出了代表性換能器的諧振元件的速度。其在零負載阻抗具有最大值，被稱為自 由速度。速度在最大或無限負載阻抗具有最小值。
[0006] 還示出了由換能器諧振元件提供給負載的力。其在零負載阻抗具有最小值，并且 在最大或無限負載阻抗上升到最大值。
[0007] 示出了可用于從換能器耦合到負載的功率，其中功率是力X速度的乘積。
[0008] 理想的是，所期望的力、速度和功率需要在換能器操作的頻率范圍內從換能器耦 合到負載阻抗，頻率可以從50000Hz向下延伸至有效的0Hz，其涵蓋但不限于音頻范圍。可 以從換能器耦合到負載阻抗的功率可以被認為是換能器的品質因數，并且當考慮到功率 時，與將換能器耦合到負載相關聯的問題可以很容易地被理解。
[0009] 在某些換能器應用中，期望將最大速度耦合到負載，而在某些換能器應用中，期望 將最大力耦合到負載。對于這兩種情況中的任一個來說，可能期望的是將最大可能的功率 耦合到可用于特定換能器設計的負載，從而為特定的應用盡量減小換能器的所需尺寸。
[0010] 為了將來自換能器的所需功率有效地耦合到負載，換能器的機械阻抗應在有利的 頻率范圍內匹配于負載，這也將導致功率、力以及速度隨頻率相對平滑的變化。
[0011] 在圖4中，示出了負載和換能器之間的阻抗匹配的示意圖，還示出了從換能器耦 合到負載的所得的功率。在理想的情況下，負載和換能器阻抗是匹配的，如由傾斜的實線表 示，從而導致作為由在任意示出為1的功率傳輸級別的水平實線表示的可用功率的函數的 最大功率傳輸。這意味著在理想的情況下，當阻抗被匹配時，可以將最大量的可用功率從換 能器傳輸到負載。然而，如果換能器和負載阻抗不匹配，例如換能器阻抗大于或小于負載阻 抗，則功率傳輸可以顯著降低，例如達一個數量級。這意味著在這種情況下，當阻抗不匹配 時，可以將小于最大量的可用功率從換能器傳輸到負載，這被表示在圖4中，其中虛傾斜線 表明在負載和換能器之間存在阻抗不匹配，導致功率傳輸大大減少，如由水平虛線所示。
[0012] 換能器和負載阻抗在操作的頻率范圍內常常是不匹配的，從而導致減少的功率傳 輸、速度或力，并且導致功率、力或速度隨頻率的變化是不光滑的。
[0013] 本發明試圖解決這些問題。
【發明內容】
[0014] 在一方面，本發明提供了一種換能器，在操作頻率范圍內具有機械阻抗，并且在操 作頻率范圍內具有至負載的期望的功率耦合，所述換能器包括：
[0015] 壓電裝置，其在操作頻率范圍內具有模式的頻率分布；和
[0016] 包覆模制，其中，
[0017] 所述包覆模制布置成包圍所述壓電裝置的至少一部分；以及
[0018] 所述包覆模制的參數選擇成提供所述換能器的機械阻抗和所述負載的機械阻抗 之間所需的阻抗匹配，由此，
[0019] 提供了所述換能器和負載之間的期望的功率耦合。
[0020] 在另一方面，提供了一種換能器，具有操作頻率范圍，并且在操作頻率范圍內具有 至負載的期望的功率耦合，所述換能器包括：
[0021] 壓電裝置，其在操作頻率范圍內具有模式的頻率分布；
[0022] 安裝裝置，用于保持所述壓電裝置的周邊的至少一部分的離散部分，并且其中，
[0023] 所述安裝裝置的參數選擇成為所述壓電裝置的周邊提供所需的邊界條件，由此，
[0024] 提供了所述換能器和負載之間的期望的功率耦合。
[0025] 在另一方面，提供了一種換能器，在操作頻率范圍內具有機械阻抗，并且在操作頻 率范圍內具有至負載的期望的功率耦合，所述換能器包括：
[0026] 壓電裝置，其在操作頻率范圍內具有模式的頻率分布；和
[0027] 阻抗匹配裝置，至少部分地圍繞所述壓電裝置；
[0028] 其中，
[0029] 所述阻抗匹配裝置的參數選擇成提供所述換能器的機械阻抗和所述負載的機械 阻抗之間所需的阻抗匹配，由此，
[0030] 提供了所述換能器和負載之間的期望的功率耦合。
[0031] 在另一方面，提供了一種制造換能器的方法，所述換能器在操作頻率范圍內具有 機械阻抗，并且在操作頻率范圍內具有至負載的期望的功率耦合，所述方法包括：
[0032] 提供壓電裝置，其在操作頻率范圍內具有模式的頻率分布；以及
[0033] 將阻抗匹配裝置包覆模制到該壓電裝置上，以便至少部分地圍繞所述壓電裝置；
[0034] 其中，
[0035] 所述阻抗匹配裝置的參數選擇成提供所述換能器的機械阻抗和所述負載的機械 阻抗之間所需的阻抗匹配，由此，
[0036] 提供了所述換能器和負載之間的期望的功率耦合。
[0037] 在另一方面，提供了一種換能器，包括：
[0038] 面板形式的壓電裝置；以及
[0039] 支撐，
[0040] 所述支撐包括彈性體元件和機械地面，所述彈性體元件至少在該壓電裝置的周邊 的一部分支撐該裝置，以及該裝置的至少一部分通過所述彈性體元件延伸到所述機械地面 的凹部中。
[0041] 下面僅通過示例并參照附圖，對上述的換能器及方法的實施例進行說明。參照針 對壓電致動器，其中這包括致動器或換能器，比如模式致動器、分布式模式致動器（DMA)以 及其他類型的致動器和換能器。
【附圖說明】
[0042] 圖1示出了理想的簡單支撐壓電致動器的示意圖。
[0043] 圖2示出了理想的慣性壓電致動器的示意圖。
[0044] 圖3示出了作為負載阻抗函數的、如圖1或圖2所示的代表性換能器的速度和力 的示意圖，還示出了所得的功率。
[0045] 圖4示出了特征表現為換能器阻抗的換能器和特征表現為負載阻抗的負載之間 的功率傳輸的示意圖，示出了負載阻抗和換能器阻抗失配的示意圖。
[0046] 圖5示出了作為用于理想的簡單支撐壓電致動器的頻率函數的自由速度（無負載 阻抗）和阻滯力（無限負載阻抗）。
[0047] 圖6示出了作為用于慣性壓電致動器的頻率函數的自由速度（無負載阻抗）和阻 滯力（無限負載阻抗）。
[0048] 圖7示出了在各種情況下驅動5Ns/m的負載阻抗時對于未修改的簡單支撐和未修 改的慣性壓電致動器這二者的、作為頻率函數的速度。
[0049] 圖8示出了采用阻抗匹配裝置修改的簡單支撐壓電致動器的示意圖。
[0050] 圖9示出了采用阻抗匹配裝置修改的慣性壓電致動器的示意圖。
[0051] 圖10示出了對于如圖7所示的簡單支撐壓電致動器和各種情況下驅動5Ns/m負 載阻抗的非優化修改的簡單支撐壓電致動器這二者的、作為頻率函數的速度。
[0052] 圖11示出了對于如圖7所示的慣性壓電致動器和各種情況下驅動5Ns/m負載阻 抗的非優化修改的慣性壓電致動器這二者的、作為頻率函數的速度。
[0053] 圖12示出了具有軟硬彈性體/聚合物阻抗匹配裝置的優化修改的簡單支撐壓電 致動器的示意圖。
[0054] 圖13示出了具有軟硬彈性體/聚合物阻抗匹配裝置的優化修改的慣性壓電致動 器的示意圖。
[0055] 圖14示出了對于如圖7所示的簡單支撐壓電致動器和各種情況下驅動5Ns/m負 載阻抗的圖12所示的優化修改的簡單支撐壓電致動器這二者的、作為頻率函數的速度。
[0056] 圖15示出了對于如圖7所示的慣性壓電致動器和各種情況下驅動5Ns/m的匹配 負載阻抗的圖13中所示的優化修改的慣性壓電致動器這二者的、作為頻率函數的速度。
[0057] 圖16示出了對于圖12所示的簡單支撐壓電致動器的端部安裝的一個示例的示意 圖。
[0058] 圖17示出了對于圖12所示的簡單支撐壓電致動器的端部安裝的另一示例的示意 圖。
[0059] 圖18示出了對于如圖7所示的簡單支撐壓電致動器和各種情況下驅動5Ns/m負 載阻抗的圖16和17所示的優化修改的簡單支撐壓電致動器的、作為頻率函數的速度。
[0060] 圖19示出了對于如圖7所示的簡單支撐和慣性壓電致動器和各種情況下驅動 5Ns/m的匹配負載阻抗的優化修改的簡單支撐壓電致動器的、作為頻率函數的速度。
[0061] 圖20示出了對于圖12所示的簡單支撐壓電致動器的端部安裝的另一示例的示意 圖。
【具體實施方式】
[0062] 在下文中，總體上公開了一種可以用來將期望的功率耦合至負載的換能器。
[0063] 關于提供從換能器耦合到負載的期望功率，