CN103354432A - 一种直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，包括模块盒、转轴、转子以及定子组件；模块盒内分别安装有电机误差累计归零传感器以及检测头呈U型设置的转子转动位置精确定位传感器，转轴对应于电机误差累计归零传感器的感应头设置有误差累计归零感应部，转轴上安装有与转子同步运动的定位码盘；U型检测头的两U型检测臂之间置有定位码盘的盘面，定位码盘的盘面沿外缘周向均布n条裁切缺口；转子沿轴向顺序分为预压力施加段、负载段、转子段。由此可知：本发明在模块盒这个有限的空间里，集成了电机的固定、直接驱动负载、电机转子转动位置的精确控制以及电机转动误差累计归零控制的功能，其能够有效地固定电机而不影响电机的转动。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，属于超声电机技术领域。
背景技术
为了实现光纤通信中光学收发器中对波长的调节，增加光纤的通信容量，需要在收发器中增加滤光片驱动模块，通过对滤光片的旋转切换改变光路的波长。为了实现该功能需要有一驱动机构来切换滤光片，由于该模块体积较小，一般采用小直径的电机进行驱动，传统的电磁电机由于结构复杂，很难实现微型化，无法胜任这一领域，而超声电机则由于其特性能够在微型尺寸环境下表现出良好的机械特性。
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。与电磁电机相比，具有结构紧凑、低速大转矩、响应快（毫秒级）、断电自锁、位置和速度控制性好、不受电磁干扰以及低噪声运行等优点。在众多类型的超声电机中，纵扭复合型超声电机具有扭矩/体积比大，效率高等优越性能，而成为这一领域研究的热点。传统纵扭复合型超声电机使用的扭振压电陶瓷元件的成本远远高于纵振压电陶瓷元件的成本，从而使电机的成本大大提高，不利于电机的产业化发展。模态转换型超声电机也是纵扭复合型超声电机的一种，它只需用一组纵振压电陶瓷元件即可工作，不需要昂贵的扭振压电陶瓷元件，不仅能大大降低电机的成本，同时也大大降低了电机的结构复杂程度，更易于微型化。
超声电机的定位控制一般都是采用编码器的控制方法，这种方法中附加的位置控制附件难于微型化，因此对于体积较小的应用领域，这种定位控制方法是无能为力的。模态转换型超声电机采用刚性安装片固定电机的方式，会对电机的工作模态造成很大的影响，进而影响电机的运转，当电机尺寸较小时，这种情况更为突出，电机甚至出现不能运转的情况。因此微型模态转换型超声电机的定位控制装置及其固定安装是该电机产业化道路上的最大障碍。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，其能够有效地固定电机而不影响电机的转动。这种装置在很小的空间里集成了电机的固定、直接驱动负载、电机转子转动位置的精确控制以及电机转动误差累计归零控制的功能。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，包括模块盒以及定位支撑在模块盒内的转轴，所述转轴上安装有微型超声电机，该微型超声电机包括转子以及定子组件，转子、定子组件分别与转轴同轴安装；所述模块盒内分别安装有电机误差累计归零传感器以及转子转动位置精确定位传感器，所述转轴对应于电机误差累计归零传感器的感应头设置有误差累计归零感应部，且转轴上安装有定位码盘，该定位码盘与转子同步运动；所述转子转动位置精确定位传感器的检测头呈U形设置，该U形检测头的两U形检测臂之间置有定位码盘的盘面，定位码盘的盘面沿外缘周向均布n条裁切缺口，其中，n为正整数，两U形检测臂的相邻面为配合使用的转动位置检测部、转动位置感应部；所述转子沿轴向顺序分为预压力施加段、负载段以及转子段，其中：预压力施加段的端面与预压力装置相触，转子通过预压力装置所施加的预压力压紧在定子组件上；负载段根据实际需要而设计相应的结构；转子段与定子组件相接触，且转子段与定子组件相接触的表面涂覆有摩擦材料；另外，所述转子沿轴向开设有与转轴相配合的安装孔。
作为上述方案的进一步改进，本发明所述电机误差累计归零传感器为光敏传感器，所述误差累计归零感应部为发光面；所述转子转动位置精确定位传感器为U形光电传感器。
作为上述方案的进一步改进，本发明所述裁切缺口呈U形设置，且裁切缺口为4个。
作为上述方案的进一步改进，本发明所述负载段呈圆盘状，该圆盘状负载段沿周向均布4个U形槽，各U形槽的槽口均背向圆盘状负载的圆心设置。
作为上述方案的进一步改进，本发明所述定子组件配置有柔性安装片，该柔性安装片的基体为环状薄金属片，所述环状薄金属片在外环表面呈辐射状延伸出安装足；柔性安装片嵌装在定子组件的壁面上所开设的环形切口内，且柔性安装片的安装足与固定在模块盒中的安装立柱连接。
作为上述方案的进一步改进，本发明所述定子组件包括压电振子，该压电振子包括纵振压电陶瓷片组件以及能够将纵振压电陶瓷片组件受激励电源激发的1阶纵振模态转换为2阶扭振模态的纵扭模态转换器；所述纵扭模态转换器包括横截面呈圆环状的柱体，该柱体靠近转子的一侧沿外壁面开设复数条切槽，所述切槽的延伸方向与柱体的轴线倾斜设置，背离转子的一侧沿外壁面开设环形切口，柔性安装片嵌装于该环形切口内。
作为上述方案的进一步改进，本发明所述误差累计归零感应部设置在转轴沿轴向切削以形成的第一平面；所述转子、预压力装置以及定位码盘在转轴上的安装位置为转轴沿轴向切削以形成的第二平面，第一平面、第二平面对应的转轴的横截面呈弓形设置；转子、预压力装置、定位码盘三者沿轴向开设的安装孔均为与第二平面所对应位置处转轴相配合的弓形孔。
根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：
1、本发明在模块盒内安装用于检测转轴上所设置误差累计归零感应部的电机误差累计归零传感器，当电机误差累计归零传感器所检测信号正常时，微型超声电机保持工作，当电机误差累计归零传感器检测到突变信号，即此时转轴旋转致使误差累计归零传感器的感应头与误差累计归零感应部在转轴上的轴向交界处正对时，制停微型超声电机；
2、本发明转轴上安装与转子同步运动的定位码盘，通过检测定位码盘的位置信息即可反馈转子的位置信息；在模块盒内安装用于检测定位码盘转动位置的转子转动位置精确定位传感器，当转子转动位置精确定位传感器所检测信号正常时，微型超声电机保持工作，当转子转动位置精确定位传感器检测到突变信号，即此时转轴旋转致使转子转动位置精确定位传感器的检测头与裁切缺口在定位码盘上的径向交界处正对时，制停微型超声电机；
3、本发明所述的转子直接设计了负载段，该负载段设置U形开口槽的目的是加载应用中所使用的滤波片；
4、本发明所述的定子组件配装柔性安装片，以使得定子组件在轴向、径向均具有一定的安装余量，提高产品本身组装时的容易度以及降低各组件生产时的精度；
综上所述，本发明在模块盒这个有限的空间里，集成了电机的固定、直接驱动负载、电机转子转动位置的精确控制以及电机转动误差累计归零控制的功能，其能够有效地固定电机而不影响电机的转动。
附图说明
图1是本发明提出的直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置的结构图，图中各标号名称分别为：1-模块盒；2-轴承套；3-轴承；4-电机误差累计归零传感器；5-轴；6-微型模态转换型超声电机；7-安装立柱；8-柔性安装片；9-转子负载；10-转子转动位置精确定位传感器；11-定位码盘；12-轴套。
图2是本发明提出的直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置中的电机转子负载结构。该结构沿转轴向可以分为3个部分，图中91预压力施加段，用于放置预压力弹簧系统；92为负载段，形状根据实际应用所需而设计；93为与定子振动面接触的转子段，在其与定子接触表面粘贴有一层摩擦材料。在转子负载圆心设有一弓形孔，与轴上第二平面52相对应，采用过渡配合，从而使轴能随着转子负载的转动而转动。
图3是本发明提出的直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置中的转轴结构。在轴的两端分别沿轴向设置有两个平面51和52。
图4是微型模态转换型超声电机的模态图，图中各标号名称分别为：a、电机定子1阶纵振模态；b、电机2阶扭振模态 ；c、电机2阶扭振模态第一节平面；d、电机1阶纵振模态节平面；e、电机2阶扭振模态第二节平面。电机2阶扭振模态第一节平面、第二节平面均位于电机零件中间，无法做为电机固定使用，电机1阶纵振模态节平面则位于压电陶瓷元件和带斜槽的圆柱体零件中间，在其位置放置一柔性安装片，该柔性安装片伸出一安装足，可以为电机提供柔性安装和固定。
图5是本发明提出的直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置中的定位码盘11结构图，它有两个结构，分别为外盘111、安装柱113，其中外盘上开有n（n为正整数）条沿周向均布的U形缺口112，在安装柱圆心片设置一弓形通孔114，与轴上第二平面52相对应，采用过盈配合，并用胶固定于轴上，其转动与转子及轴的转动同步。
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，本发明所述的直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，包括模块盒1、转轴、微型模态转换型超声电机6、转动位置的精确定位传感器、电机误差累计归零传感器4；其中：
模块盒1的断面呈矩形设置，该矩形模块盒1的两短侧壁上分别开设有一个支撑孔，两短侧壁上的支撑孔同轴设置；
微型模态转换型超声电机6，包括转子和定子，该转子设计时，即具有电机转子的功能，又可以作为负载而存在。所述转子沿轴向顺序分为预压力施加段91、负载段92以及转子段93，其中：预压力施加段91的端面与预压力装置相触，因此，预压力装置所施加的预压力可以将转子压紧在定子上；负载段92根据所要实现的特定应用功能而设计相应的结构，本申请中，所述的负载段92呈圆盘状，该圆盘状负载段92沿周向均布4个U形槽，各U形槽的槽口均背向圆盘状负载的圆心设置；转子段93为转子、定子的接触段，因此，转子段93与定子相接触的表面涂覆有一层摩擦材料；另外，所述转子沿轴向开设有弓形安装孔，便于与转轴上的第二平面52配合连接；所述定子包括压电振子，该压电振子包括纵振压电陶瓷片组件以及能够将纵振压电陶瓷片组件受激励电源激发的1阶纵振模态转换为2阶扭振模态的纵扭模态转换器；所述纵扭模态转换器包括横截面呈圆环状的柱体，该柱体靠近转子的一侧沿外壁面开设复数条切槽，所述切槽的延伸方向与柱体的轴线倾斜设置，背离转子的一侧沿轴向在其外壁面开设环形切口；所述定子配置有一片柔性安装片8，柔性安装片8在定子组件上的安装位置与定子组件所产生的1阶纵振模态节平面位置相邻近，该柔性安装片8的基体为环状薄金属片，该环状薄金属片在外环表面呈辐射状延伸出安装足；柔性安装片8在电机装配过程中采用夹心式方式放置在微型模态转换型超声电机6中，具体为：纵振压电陶瓷片组件与柔性安装片8交错地嵌装于该环形切口内，且柔性安装片8的安装足与固定在模块盒1中的安装立柱7通过胶粘或者螺钉连接的方式连接成一体；所述转子配置定位码盘11，包括圆环状外盘111和安装柱113，安装柱113嵌装在圆环状外盘111的内环，且安装柱113沿轴向开设弓形通孔，用于定位码盘11的安装定位；圆环状外盘111沿外环周向均布n（n为正整数）条U形缺口，图中为四个，所述U形缺口的的U形臂延伸方向垂直于安装立柱7的轴线方向。
转轴的两端分别通过轴承3以及轴套12支撑在模块盒1的两短侧壁，轴套12安装在其中一个短侧壁的支撑孔内，轴承3通过轴承3套2安装在另一个短侧壁的支撑孔内；所述转轴的两端分别沿轴向切削以形成第一平面、第二平面52，即与第一平面、第二平面52对应的转轴的横截面呈弓形设置，本申请中，第一平面的轴向长度小于第二平面52的轴向长度；另外，第一平面作为电机误差累计归零传感器4的感应面，而第二平面52作为安装微型模态转换型超声电机6的转子负载9、预压力装置及定位码盘11的安装部，利用第二平面52对应轴体的弓形形状与各安装件（转子负载9、预压力装置及定位码盘11）之间的相互配合，来确定各安装件与转轴的相对周向位置，通过转子转动位置精确定位传感器10对该第二平面52位置的采集，实现转子转动位置的精确定位感应。
转动位置的精确定位传感器、电机误差累计归零传感器4分别固定在模块盒1的长侧壁上，垂直中心的高度与转轴线的垂直高度一致，电机误差累计归零传感器4的检测面正对着转轴的第一平面，电机误差累计归零传感器4的U形槽将定位码盘11的U形缺口包含在其中；另外，所述电机误差累计归零传感器4为光敏传感器，第一平面为发光面；所述转子转动位置精确定位传感器10为U形光电传感器。
Claims (7)
1.一种直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，包括模块盒以及定位支撑在模块盒内的转轴，所述转轴上安装有微型超声电机，该微型超声电机包括转子以及定子组件，转子、定子组件分别与转轴同轴安装，且转子通过预压力装置压紧在定子组件上，其特征在于：所述模块盒内分别安装有电机误差累计归零传感器以及转子转动位置精确定位传感器，所述转轴对应于电机误差累计归零传感器的感应头设置有误差累计归零感应部，且转轴上安装有定位码盘，该定位码盘与转子同步运动；所述转子转动位置精确定位传感器的检测头呈U形设置，该U形检测头的两U形检测臂之间置有定位码盘的盘面，定位码盘的盘面沿外缘周向均布n条裁切缺口，其中，n为正整数，两U形检测臂的相邻面为配合使用的转动位置检测部、转动位置感应部；所述转子沿轴向顺序分为预压力施加段、负载段以及转子段，其中：预压力施加段的端面与预压力装置相触，转子通过预压力装置所施加的预压力压紧在定子组件上；负载段根据实际需要而设计相应的结构；转子段与定子组件相接触，且转子段与定子组件相接触的表面涂覆有摩擦材料；另外，所述转子沿轴向开设有与转轴相配合的安装孔。
2.根据权利要求1所述直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，其特征在于：所述电机误差累计归零传感器为光敏传感器，所述误差累计归零感应部为发光面；所述转子转动位置精确定位传感器为U形光电传感器。
3.根据权利要求2所述直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，其特征在于：所述裁切缺口呈U形设置，且裁切缺口为4个。
4.根据权利要求3所述直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，其特征在于：负载段呈圆盘状，该圆盘状负载段沿周向均布4个U形槽，各U形槽的槽口均背向圆盘状负载的圆心设置。
5.根据权利要求2所述直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，其特征在于：所述定子组件配置有柔性安装片，该柔性安装片的基体为环状薄金属片，所述环状薄金属片在外环表面呈辐射状延伸出安装足；柔性安装片嵌装在定子组件的壁面上所开设的环形切口内，且柔性安装片的安装足与固定在模块盒中的安装立柱连接。
6.根据权利要求5所述直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，其特征在于：定子组件包括压电振子，该压电振子包括纵振压电陶瓷片组件以及能够将纵振压电陶瓷片组件受激励电源激发的1阶纵振模态转换为2阶扭振模态的纵扭模态转换器；所述纵扭模态转换器包括横截面呈圆环状的柱体，该柱体靠近转子的一侧沿外壁面开设复数条切槽，所述切槽的延伸方向与柱体的轴线倾斜设置，背离转子的一侧沿外壁面开设环形切口，柔性安装片嵌装于该环形切口内。
7.根据权利要求2所述直接驱动负载的微型超声电机定位控制装置，其特征在于：所述误差累计归零感应部设置在转轴沿轴向切削以形成的第一平面；所述转子、预压力装置以及定位码盘在转轴上的安装位置为转轴沿轴向切削以形成的第二平面，第一平面、第二平面对应的转轴的横截面呈弓形设置；转子、预压力装置、定位码盘三者沿轴向开设的安装孔均为与第二平面所对应位置处转轴相配合的弓形孔。
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