CN102810997A

CN102810997A - 减摩驱动式超声电机及其复合式定子组件

Info

Publication number: CN102810997A
Application number: CN2012102106444A
Authority: CN
Inventors: 胡俊辉; 芦小龙; 赵淳生
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102810997B

Abstract

本发明公开了一种减摩驱动式超声电机及其复合式定子组件，该复合式定子组件包括前端盖、驱动端、弯振压电陶瓷组件和纵振压电陶瓷组件；弯振压电陶瓷组件通过紧固连接件夹持于前端盖以及驱动端之间；纵振压电陶瓷组件安装于驱动端，且纵振压电陶瓷组件与驱动端安装面的相对面安装驱动足，同时纵振压电陶瓷组件与驱动端的安装面垂直于弯振压电陶瓷组件的轴线。由于本发明所述复合式定子组件对频率一致性无特殊要求，便于控制；同时结构紧凑，性能稳定，基于该定子组件设计的减摩驱动式超声电机，相对于现有技术，能够有效地提高输出功率。

Description

减摩驱动式超声电机及其复合式定子组件

技术领域

本发明涉及一种复合式定子组件以及采用该定子组件的减摩驱动式超声电机，属于超声电机领域。

背景技术

超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，依靠摩擦力驱动的新型作动器。旋转型超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有大转矩质量比、快速响应、精密定位和无电磁干扰等优点，在生物医疗、精密驱动、光学器件以及航空航天等领域具有广泛的应用前景。

传统的直线型超声电机要求定子有两个工作模态，两模态在驱动端部组合后产生椭圆运动，进而推动压在上面的动子产生直线运动。该类型的超声电机对两相模态的频率一致性要求很高，并且由于预压力的作用，工作模态频率将发生飘移，定子初始设计的模态频率对预压力的敏感度通常不一致，因此，造成电机控制困难，输出效率低等现象。另外，超声电机的输出功率受预压力的限制，如果预压力值过大，传统的直线型动子将随定子一起往复运动，无法实现定向运动。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种超声电机的复合式定子组件，该复合式定子组件对频率一致性无特殊要求，便于控制；同时结构紧凑，性能稳定，基于该定子组件设计的减摩驱动式超声电机，相对于现有技术，能够有效地提高输出功率。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种超声电机的复合式定子组件，包括前端盖、驱动端、弯振压电陶瓷组件和纵振压电陶瓷组件；弯振压电陶瓷组件通过紧固连接件夹持于前端盖以及驱动端之间；纵振压电陶瓷组件安装于驱动端，且纵振压电陶瓷组件与驱动端安装面的相对面安装驱动足，同时纵振压电陶瓷组件与驱动端的安装面垂直于弯振压电陶瓷组件的轴线。

所述弯振压电陶瓷组件包括两片弯振压电陶瓷片，每一片弯振压电陶瓷片均配置一片电极片，且每一片弯振压电陶瓷片均包括两个极化方向相反的极化区，同时相邻两片弯振压电陶瓷片的相邻面的极化区方向相同；各弯振压电陶瓷片、电极片交错地排列在前端盖和驱动端之间。

本发明的另一个技术目的是提供一种采用上述复合式定子组件的减摩驱动式超声电机，包括转子和定子组件，所述定子组件为复合式定子组件，包括前端盖、驱动端、弯振压电陶瓷组件和纵振压电陶瓷组件；弯振压电陶瓷组件通过紧固连接件夹持于前端盖以及驱动端之间；纵振压电陶瓷组件安装于驱动端，且纵振压电陶瓷组件与驱动端安装面的相对面安装驱动足，同时纵振压电陶瓷组件与驱动端的安装面垂直于弯振压电陶瓷组件的轴线；该复合式定子组件通过驱动足与动子的驱动面相触；所述弯振压电陶瓷组件、纵振压电陶瓷组件分别与相应的激励电源连接，以分别对应地促使定子组件在驱动足端部产生局部微幅振动模态、在驱动端产生一阶弯曲振动模态；所述定子组件以一阶弯曲振动模态作为摩擦驱动力、以局部微幅振动模态作为摩擦驱动力的减摩模态。

所述弯振压电陶瓷组件的激励电源为连续式方波信号，而纵振压电陶瓷组件的激励电源则为间隔式正弦信号；弯振压电陶瓷组件在连续式方波信号的激发下，促使定子组件在驱动端产生一阶弯曲振动模态，且连续式方波信号的激励频率与一阶弯曲振动模态的频率f1相等；纵振压电陶瓷组件在间隔式正弦信号的激发下，促使定子组件在驱动足产生局部微幅振动模态，且间隔式正弦信号的激励频率与局部微幅振动模态的频率f2相等；间隔式正弦信号的间隔频率与一阶弯曲振动模态的频率f1接近；局部微幅振动模态的频率f2远大于一阶弯曲振动模态的频率f1；所述定子组件利用一阶弯曲振动模态、局部微幅振动模态，在驱动足与动子的接触部位产生非对称驱动力，驱动动子运动。

所述局部微幅振动模态为一阶局部弯振模态或者一阶局部纵振模态。

根据以上的技术方案，与现有技术中常用的其它超声电机相比，本发明所述减摩驱动式超声电机具有以下优点：

1. 结构的创新：采用两分区计划的弯振压电陶瓷激发定子体的弯曲振动，引起驱动足的前后摆动，作为动子的摩擦驱动力来源；采用纵振压电陶瓷激发驱动端的局部纵向振动，引起驱动足部位前进和后退过程的摩擦驱动力变化；动子在非对称的摩擦驱动力作用下发生定向运动；通过控制纵向振动的频率和幅度，可以达到在较大预压力的情况下，动子仍能定向运动，具有较高的输出功率。

2．工作模态的创新：

该电机的定子对频率一致性没有要求，因此，便于控制；由弯振压电陶瓷激发的定子的一阶弯曲振动模态频率较低，以便获得驱动足较大的摆动幅度；由纵振压电陶瓷激发的驱动端的局部一阶纵向振动模态频率较高，以便获得较好的减摩效果；动子的前进或后退由激励信号的相位差确定，交错激励使电机动子前进运动，同时激励使电机动子后退运动；一阶弯曲振动用于推动动子运动，一阶局部纵振用于在定子与动子的接触面上产生减摩作用；通过控制两组振动的时间相位差，进而在定子与动子接触面上产生非对称的驱动力，驱使动子产生定向运动；另外，实现减摩作用的振动模态既可以是局部纵振模态，又可以是局部弯振模态，可根据电机尺寸和具体形状进行选择；在结构没有发生变化的情况下，调节激励源的频率至该模态频率，即可激发相应的振动。

附图说明

图1为减摩驱动式超声电机的结构示意图。

图2为减摩驱动式超声电机定子的结构分解视图。

图3为减摩驱动式超声电机定子工作模态示意图：图3-1为定子的一阶弯曲振动模态示意图；图3-2为驱动端前端的一阶局部纵向振动模态示意图。

图中标号名称：1、定子；2、动子；3、动子接触面；4、动子运动方向；5、定子底面；6、预压力；7、前端盖；8、紧固螺栓；9、弯振压电陶瓷；10、电极片；11、驱动端；12、驱动足；13、纵振压电陶瓷；14、定子的一阶弯曲振动模态； 15、驱动端前端的局部一阶纵振模态；16、连续式方波激励信号；17、间隔式正弦波激励信号。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1所示，所述电机整体由定子1和与之垂直摆放的动子2组成；定子1的底面5为固定面，定子驱动端11的驱动足12在一定的预压力6作用下与动子2的驱动面3接触；动子2可沿y方向做前进或后退的直线运动4；如图2所示，所述定子1由前端盖7、紧固螺栓8、弯振压电陶瓷9、电极片10、驱动端11和纵振压电陶瓷13组成；紧固螺栓8穿过前端盖7，将交错排列的弯振压电陶瓷9和电极片10与驱动端11连接成一体；每片弯振压电陶瓷9均包括两个极化方向相反的极化区，两片弯振压电陶瓷相邻面的极化区位置相同；驱动足12为一圆柱形凸台，位于驱动端11前端的下表面的中心位置；纵振压电陶瓷片13粘贴在驱动端11前端的上表面。

定子1的一阶弯曲振动模态14由连续式的方波信号激发，方波信号的激励频率与定子的一阶弯曲振动模态14频率f₁相等；定子驱动端11前端的一阶局部纵振模态15由间隔式的正弦信号激发，间隔频率与定子的一阶弯曲振动模态14频率f₁接近，正弦信号的激励频率与驱动端11前端的一阶局部纵振模态15频率f₂相等；为了达到较好的超声振动减摩效果，结构设计时要求f₂远大于f₁；

如图3所示，弯曲振动的信号输入端以A表示，接地端以GND表示，纵向振动的信号输入端以B表示，与弯曲振动公用接地端GND。交错激发的纵向振动与弯曲振动信号，连续式的方波信号与信号输入端A相连，间隔式的正弦信号与信号输入端B相连。t0到t1时刻，信号输入端A收到频率为f₁高电平信号，激发定子1的一阶弯曲振动模态14，信号输入端B无信号输入，在预压力的作用下，驱动足12与接触面3间存在较大的摩擦力，带动动子2前进一段距离L1；t1到t2时刻，信号输入端A无信号输入，定子1返回至弯曲前的初始位置，驱动足12带动动子2返回一段距离L2，由于信号输入端B收到频率为f₂的正弦激励信号，激发驱动端11前端的一阶纵向振动模态15，在超声纵向振动的作用下，驱动足12与接触面3间的摩擦力减小，因此L2小于L1。T2到t3时刻重复t0到t1时刻的运动，T3到t4时刻重复t1到t2时刻的运动，如此反复，宏观上，动子2将产生前进运动。

该电机动子的前进或后退由交错激发的纵向振动与弯曲振动信号的相位差确定：180°相位差代表交错激励，使电机动子前进运动；0°相位差代表同时激励，使电机动子后退运动。

作为上述超声电机的另一种激励方式，可以通过调整间隔式正弦波激励信号的激励频率，促使定子组件的驱动足端部产生局部弯振模态，此时，间隔式正弦波激励信号的激励频率与局部弯振模态频率一致，因此，定子组件的减摩作用由该局部弯振模态实现。

Claims

1.一种超声电机的复合式定子组件，其特征在于：包括前端盖、驱动端、弯振压电陶瓷组件和纵振压电陶瓷组件；弯振压电陶瓷组件通过紧固连接件夹持于前端盖以及驱动端之间；纵振压电陶瓷组件安装于驱动端，且纵振压电陶瓷组件与驱动端安装面的相对面安装驱动足，同时纵振压电陶瓷组件与驱动端的安装面垂直于弯振压电陶瓷组件的轴线。

2.根据权利要求1所述超声电机的复合式定子组件，其特征在于：所述弯振压电陶瓷组件包括两片弯振压电陶瓷片，每一片弯振压电陶瓷片均配置一片电极片，且每一片弯振压电陶瓷片均包括两个极化方向相反的极化区，同时相邻两片弯振压电陶瓷片的相邻面的极化区方向相同；各弯振压电陶瓷片、电极片交错地排列在前端盖和驱动端之间。

3.一种采用权利要求1所述复合式定子组件的减摩驱动式超声电机，包括转子和定子组件，其特征在于：所述定子组件为复合式定子组件，包括前端盖、驱动端、弯振压电陶瓷组件和纵振压电陶瓷组件；弯振压电陶瓷组件通过紧固连接件夹持于前端盖以及驱动端之间；纵振压电陶瓷组件安装于驱动端，且纵振压电陶瓷组件与驱动端安装面的相对面安装驱动足，同时纵振压电陶瓷组件与驱动端的安装面垂直于弯振压电陶瓷组件的轴线；该复合式定子组件通过驱动足与动子的驱动面相触；所述弯振压电陶瓷组件、纵振压电陶瓷组件分别与相应的激励电源连接，以分别对应地促使定子组件在驱动足端部产生局部微幅振动模态、在驱动端产生一阶弯曲振动模态；所述定子组件以一阶弯曲振动模态作为摩擦驱动力、以局部微幅振动模态作为摩擦驱动力的减摩模态。

4.根据权利要求3所述的减摩驱动式超声电机，其特征在于：所述弯振压电陶瓷组件的激励电源为连续式方波信号，而纵振压电陶瓷组件的激励电源则为间隔式正弦信号；弯振压电陶瓷组件在连续式方波信号的激发下，促使定子组件在驱动端产生一阶弯曲振动模态，且连续式方波信号的激励频率与一阶弯曲振动模态的频率f1相等；纵振压电陶瓷组件在间隔式正弦信号的激发下，促使定子组件在驱动足产生局部微幅振动模态，且间隔式正弦信号的激励频率与局部微幅振动模态的频率f2相等；间隔式正弦信号的间隔频率与一阶弯曲振动模态的频率f1接近；局部微幅振动模态的频率f2远大于一阶弯曲振动模态的频率f1；所述定子组件利用一阶弯曲振动模态、局部微幅振动模态，在驱动足与动子的接触部位产生非对称驱动力，驱动动子运动。

5.根据权利要求4所述的减摩驱动式超声电机，其特征在于：所述局部微幅振动模态为一阶局部弯振模态或者一阶局部纵振模态。