CN103023372B - 单相驱动的贴片式纵扭超声微电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单相驱动的贴片式纵扭超声微电机，由定子、转子和预压力系统组成，定子由四片或多片长方体压电陶瓷片和中空的金属基体组成，压电陶瓷贴片分成两组，一组压电陶瓷贴片表面有倾斜45度的叉指状电极，另一组叉指状电极向相反方向倾斜，对称布置的压电陶瓷贴片叉指状电极倾斜方向相同，相邻的压电陶瓷贴片叉指状电极倾斜方向相反，定子的纵振共振频率和扭转振动共振频率设计为相同，转子贯穿于中空定子，并在预压力系统的作用下压紧在定子驱动端上，定子通过摩擦驱动转子旋转，激励另一组压电陶瓷，电机换向。该电机简化了传统纵扭超声电机的复杂结构，实现了单相驱动，并易于微型化。

Description

单相驱动的贴片式纵扭超声微电机

技术领域

本发明涉及超声波应用领域的装置，尤其是涉及一种单相驱动的贴片式纵扭超声微电机。

背景技术

超声电机是一类压电电机，其利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转化为定子的振动能，定子再通过摩擦驱动转子旋转或运动部件做直线运动。与传统的电磁电机相比，其具有结构紧凑，力矩大，响应快，位移分辨率高，抗电磁干扰能力强，安静无噪声等独特的优点，特别是在微型化领域，在电机直径小于10mm时，传统电磁电机转矩和效率下降很快，而超声电机则不会，使其在微型化领域具有巨大优势。

纵扭型超声电机由于其独特的工作方式，即定子对转子驱动时是整个面接触，与点接触或者线接触的行波型电机相比，先天具有大力矩的优势。传统的纵扭型超声电机分别采用纵振压电陶瓷片和扭振压电陶瓷片来激励定子上的纵振和扭转振动。通常，扭振陶瓷片由8个扇形小片粘接而成。每个扇形小片均沿着周向极化，在厚度方向(即轴承向)施加激励电场。利用压电陶瓷的d15逆压电效应，可在陶瓷片上产生一个绕轴的扭转位移。

扭转型压电陶瓷片结构过于复杂，加工成本高，容易失效且不容易微型化，严重影响了纵扭电机的普及。另外，纵扭两相振动相位差在电机工作过程中漂移严重，对电机的驱动控制器也提出了较高要求。

为了克服这些缺点，人们提出了模态转换型纵扭超声电机。Yukiyasu Kato在美国专利(US 6469419B2)中提出的斜槽式模态转换式样纵扭超声电机，一组纵振压电陶瓷片进行纵振激励，利用定子上的斜槽将纵向振动转化为扭转振动，从而合成为定子的二阶扭转振动和一阶纵向振动的复合振动。另外，Akio Kumada还提出了一种斜梁模态转化型的纵扭电机(US 4642509)，其同样采用纵向振动压电陶瓷片激励出定子的纵向振动，靠斜梁转化为扭转振动。这两种电机结构都比较复杂，机械零件加工困难，特别是斜槽难加工，不容易微型化。

发明内容

本发明的目的就是为了继承纵扭型超声电机大扭矩的优点，并解决传统方案要么是扭振压电陶瓷片工艺复杂不易微型化，要么是机械零件形状复杂，加工成本高，不易微型化的弊端，提出了一种单相驱动的压电陶瓷贴片式纵扭型超声电机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

单相驱动的贴片式纵扭超声微电机，包括包含定子、转子和预压力机构，其中，

所述的定子由四片或多片压电陶瓷片和中空的在圆柱外侧切有平面的金属基体组成，压电陶瓷贴片表面设有倾斜的叉指状电极，

所述的转子贯穿定子，并被弹簧压紧在定子驱动表面上，转子在压电陶瓷片上施加单相的激励信号，在定子上激励出扭转共振和纵向共振的复合振动，使得定子与转子相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆，

所述的定子通过摩擦驱动转子单向旋转。

所述的压电陶瓷片为片状长方体结构，一面被有倾斜的叉指状电极，一路电极接激励信号，另一路电极接地，利用该电极对压电陶瓷片进行极化和激励。叉指电极的倾斜角度可以根据对纵振和扭振激励程度的需求调整。

所述的电机定子上，对称布置的压电陶瓷贴片叉指状电极倾斜方向相同，相邻的压电陶瓷贴片叉指状电极倾斜方向相反。激励时，仅对叉指状电极沿同一方向倾斜的一组压电陶瓷片进行激励，换向时，对另一组朝另一方向倾斜的压电陶瓷片进行激励。激励信号可以是正弦信号，也可以是矩形波信号。

设计时，要求将电机定子的一阶扭转共振频率和一阶纵向共振频率设计为相同，并将该频率设定为工作频率。激励时在定子上激励出纵、扭振动的复合工作模态。此时定子驱动表面上的质点的运动轨迹为椭圆。预压力机构采用蝶形弹簧和卡箍将转子压紧在定子驱动表面上。定子驱动转子旋转，运动和力矩通过输出轴输出。

定子的中部设有挡圈，轴承安装在挡圈上，用以支撑输出轴。

摩擦材料处理在定子上或转子上，或在定子上和转子上处理有不同的摩擦材料，构成摩擦副。

定子驱动表面上可以开有退屑槽。

也可利用定子的二阶扭转共振和一阶纵向振动的复合振动模态作为工作模态。设计时，将二阶扭转共振模态频率和一阶纵向振动模态频率设计为相同。该陶瓷片所采用的倾斜叉指电极加工在压电陶瓷片的一个表面，且图形上下对称。两片此压电陶瓷片对称粘贴在削边的圆柱体两侧面时，在交变信号激励下，会激励出圆柱体的二阶扭转振动。

采用二阶扭转共振和一阶纵向振动的复合振动的电机，其定子上对称布置的用于复合振动激励的压电陶瓷片上，叉指电极布局和倾斜方向相同，相邻的复合振动激励的压电陶瓷片上，叉指电极倾斜方向相反。倾斜方向相同的压电陶瓷片为一组。激励时，选取一组压电陶瓷片进行激励，另一组空置，电机单向旋转。换向时，激励另一组压电陶瓷片。先前一组压电陶瓷片空置。

与现有技术相比，本发明提出了一种单向驱动的纵扭型超声微电机，贴片式结构大大简化了电机的整体结构，同时，单相驱动的特性使得电机的驱动电源得到简化，利于微型化，该电极在生物、医疗、微机械、自动控制、光学镜头、机器人和航空航天国防科技等领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为压电陶瓷片及其电极分布示意图；

图2为压电陶瓷贴片变形示意图；

图3为压电陶瓷贴片结构示意图；

图4为定子结构示意图；

图5为单相驱动的贴片式纵扭超声微电机结构示意图；

图6为用于一阶纵振和二阶弯振复合振动激励的压电陶瓷贴片结构示意图；

图7为单相驱动双向旋转的贴片式纵扭超声微电机定子结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

单相驱动的贴片式纵扭超声微电机的结构如图5所示，包括定子、转子和预压力机构，定子由四片压电陶瓷片和中空的定子基体41组成，中间设有输出轴51，压电陶瓷片表面有倾斜45度的叉指状电极。转子54贯穿定子，并被卡箍52和弹簧53压紧在定子驱动表面上。在压电陶瓷片上施加单相的激励信号，在定子上激励出一阶扭转共振和一阶纵向共振的复合振动，使得定子与转子相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。定子的中部设有挡圈55，轴承56安装在挡圈55上，用以支撑输出轴51。

压电陶瓷片为片状长方体结构，该压电陶瓷片为纵扭激励压电陶瓷片11，如图1所示，一面设有倾斜的叉指状电极，一路倾斜叉指状电极12接激励信号，另一路倾斜叉指状电极13接地，利用倾斜叉指状电极12、倾斜叉指状电极13对压电陶瓷片进行极化和激励。施加电场后压电陶瓷片的变形如图2所示。另外，压电陶瓷片还可以作为纵振压电陶瓷贴片31，其结构还可以如图3所示，在压电陶瓷片11上沿轴向设有轴向叉指状电极32和轴向叉指状电极33，其中轴向叉指状电极32接激励信号，轴向叉指状电极33接地。

中空的圆柱形电机的定子的结构还可以如图4所示，中空的圆柱形电机定子基体41的外侧均布4个切边。形成4个平面，均粘贴纵扭激励压电陶瓷片11。相对的两个压电陶瓷片上叉指状电极的倾斜方向相同为一组；另外2个相对的压电陶瓷片为另一组，但与前一组的倾斜方向相反。设计时，将定子的一阶纵振共振频率和一阶扭振共振频率设计为相同。激励时，仅对一组纵扭激励压电陶瓷片11进行激励，在定子上激励出一阶纵振和一阶扭振的复合共振模态，此时定子驱动端上质点的运动轨迹为椭圆。定子通过摩擦驱动转子旋转。换向时，将激励信号调整到另一组纵扭激励压电陶瓷片11，实现逆向旋转。

实施例2

采用二阶扭转共振和一阶纵向振动的复合振动的电机

微电机包括定子、转子和预压力机构，定子由四片压电陶瓷片和中空的金属基体76组成，转子71贯穿定子，并被弹簧73压紧在定子驱动表面上，其工作模态为用一阶纵振和二阶弯振复合振动模态，包括输出轴71，卡箍72，弹簧73，转子74，压电陶瓷贴片75，金属定子基体76，如图7所示。所采用的压电陶瓷片61称为一阶纵振和二阶弯振复合振动激励用压电陶瓷贴片，结构形式如图6所示。该陶瓷片采用的倾斜叉指电极62、倾斜叉指电极63加工在压电陶瓷片的一个表面上，且图形上下对称。两片压电陶瓷片75对称粘贴在削边的圆柱体两侧面时，在交变信号激励下，会激励出圆柱体的二阶扭转振动。

对称布置的一阶纵振和二阶弯振复合振动激励的压电陶瓷片75叉指状电极布局和倾斜方向相同，相邻的一阶纵振和二阶弯振复合振动激励的压电陶瓷片的叉指状电极倾斜方向相反。倾斜方向相同的压电陶瓷片为一组。

设计时，将二阶扭转共振模态频率和一阶纵向振动模态频率设计为相同，设定为工作频率。激励时，选取一组压电陶瓷片75用工作频率进行激励，另一组61空置，电机单向旋转。换向时，激励另一组压电陶瓷片61。先前一组压电陶瓷片75空置。该电机采用双端驱动，与单端驱动相比，能够提供更好的性能。

Claims (5)

1.单相驱动的贴片式纵扭超声微电机，其特征在于，该超声微电机包含定子、转子和预压力机构，其中，

所述的定子由四片压电陶瓷片和中空的在圆柱外侧切有平面的金属基体组成，压电陶瓷贴片表面设有叉指状电极，

所述的转子贯穿定子，并被弹簧压紧在定子驱动表面上，转子在压电陶瓷片上施加单相的激励信号，在定子上激励出扭转共振和纵向共振的复合振动，使得定子与转子相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆，

所述的定子通过摩擦驱动转子单向旋转；

所述的压电陶瓷片为片状长方体结构，一面设有倾斜的叉指状电极，一路电极接激励信号，另一路电极接地，利用叉指状电极对压电陶瓷片进行极化和激励，对称布置的压电陶瓷贴片叉指状电极倾斜方向相同，相邻的压电陶瓷贴片叉指状电极倾斜方向相反。

2.根据权利要求1所述的单相驱动的贴片式纵扭超声微电机，其特征在于，所述的压电陶瓷贴片用同一信号激励，施加激励信号时，仅对叉指状电极沿同一方向倾斜的一组压电陶瓷片进行激励，换向时，对另一组朝另一方向倾斜的压电陶瓷片进行激励。

3.根据权利要求1所述的单相驱动的贴片式纵扭超声微电机，其特征在于，所述的定子的中部设有挡圈，轴承安装在挡圈上。

4.根据权利要求1所述的单相驱动的贴片式纵扭超声微电机，其特征在于，所述的定子采用了一阶纵振和一阶扭振的复合振动模态作为工作模态。

5.根据权利要求1所述的单相驱动的贴片式纵扭超声微电机，其特征在于，所述的转子和输出轴驱动端经蝶形弹簧和卡箍压紧在定子的驱动表面上。