CN105406760B - 无冲击矩形板压电微电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无冲击矩形板压电微电机，包括定子和转子，其中定子为表面上具有至少两个压电片的矩形基板，矩形基板具有环绕转子的通孔；用于驱动无冲击矩形板压电微电机的激励信号被加载在矩形基板和压电片不与矩形基板相接的表面之间，该激励信号使定子产生的一阶纵振和二阶弯振的复合振动使通孔的表面上形成行波以使通孔的表面能通过摩擦力驱动转子转动。本发明的无冲击矩形板压电微电机通过利用基板的纵、弯复合模态在驱动面上激励出二阶行波，利用摩擦驱动转子转动，从而消除了冲击力。本发明的无冲击矩形板压电微的电机能平稳工作，起到稳定驱动的效果。

Description

无冲击矩形板压电微电机

技术领域

本发明涉及一种压电微电机，尤其涉及一种无冲击矩形板压电微电机。

背景技术

压电微电机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或旋转运动。当其工作在超声频段时，也称为超声电机。

与传统的电磁驱动器相比，压电电机具有许多特点和优点，比如：

1、结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化；

2、低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动；

3、电机响应速度快，并且能实现断电自锁；

4、位置和速度控制性好，位移分辨率高；

5、超声波电机是通过振动摩擦进行能量转换的，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强；

6、安静无噪声，超声波电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行；

7、设计灵活，结构形式多样化。

由于压电电机具有重量轻、结构紧凑、驱动电压低等特点，使其特别适合用于设备和机构的直接驱动，而不需要减速机构。

面内驱动的矩形板直线超声电机由于精度高、结构简单、性能稳定，已经被广泛应用于各种需要精密驱动的场合。该类直线电机还发展出双足驱动电机等变种，应用前景良好。但是该类型电机也有难以克服的问题，即由于其驻波驱动方式，在运行时对所驱动的导轨有冲击，在有些场合，比如在电子束、离子束曝光设备中，这种冲击产生的晃动会对设备的稳定工作产生较大影响。这种驻波型电机的较大的冲击力，往往对所驱动部件的工作状态造成干扰。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种无冲击矩形板压电微电机，消除上述的冲击力。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种无冲击矩形板压电微电机，通过在定子的驱动面上激发行波驱动转子，实现驱动过程中的无冲击效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种无冲击矩形板压电微电机，包括定子和转子，其特征在于，所述定子为表面上具有至少两个压电片的矩形基板，所述矩形基板具有环绕所述转子的通孔，所述个压电片皆邻接于所述通孔；

用于驱动所述无冲击矩形板压电微电机的激励信号被加载在所述矩形基板和所述压电片不与所述矩形基板相接的表面之间，所述激励信号包括彼此间相位相差π/2的第一激励信号和第二激励信号，相邻的两个压电片上加载的激励信号不同；

所述激励信号使定子产生的一阶纵振和二阶弯振的复合振动使所述通孔的表面上形成行波，所述行波使所述通孔的表面能通过摩擦力驱动所述转子转动。

进一步地，包括第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片，所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片分布在所述基板的第一表面上，且依次排布以环绕所述通孔；所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片的极化方向皆平行于所述基板的第一表面的法线，所述第一压电片和第三压电片的极化方向与所述第二压电片和第四压电片的极化方向相反；所述基板为金属板，所述通孔在所述矩形基板的中心处。

进一步地，所述通孔的表面部分地为圆锥面，所述圆锥面沿所述基板的第一表面的法线向所述基板的第一表面展开；所述行波使所述圆锥面能通过摩擦力驱动所述转子转动。

进一步地，还包括输出轴，所述输出轴与所述转子相连以输出转动力矩。

进一步地，所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片的第一表面与所述矩形基板的第一表面相接，所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片的第二表面上分别具有第一电极、第二电极、第三电极和第四电极；所述矩形基板接地，所述第一电极和第三电极上加载所述第一激励信号，所述第二电极和第四电极上加载所述第二激励信号；所述第一激励信号为正弦激励信号，所述第二激励信号为余弦激励信号。

进一步地，所述通孔的表面还包括第二圆锥面，所述第二圆锥面沿所述基板的第二表面的法线向所述基板的第二表面展开；所述无冲击矩形板压电微电机还包括第二转子，所述输出轴与所述第二转子相连；所述行波使所述第二圆锥面能通过摩擦力驱动所述第二转子转动。

进一步地，还包括第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片，所述第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片分布在所述基板的第二表面上，且与所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片一一对应；所述第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片具有与其对应的压电片相反的极化方向；所述第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片的第二表面上分别具有第五电极、第六电极、第七电极和第八电极；所述第五电极和第七电极上加载所述第一激励信号，所述第六电极和第八电极上加载所述第二激励信号。

进一步地，所述通孔上套设有中空的金属环状件，所述金属环状件紧固地连接于所述矩形基板；所述金属环状件的表面包括沿所述基板的第一表面的法线向所述基板的第一表面展开的第三圆锥面和沿所述基板的第二表面的法线向所述基板的第二表面展开的第四圆锥面，所述第三圆锥面与所述转子接触，所述第四圆锥面与所述第二转子接触。

进一步地，所述第三圆锥面上具有摩擦材料，所述第三圆锥面通过所述摩擦材料与所述转子接触；和/或

所述第四圆锥面上具有摩擦材料，所述第四圆锥面通过所述摩擦材料与所述第二转子接触。

进一步地，转子和/或第二转子上具有摩擦材料。

在本发明的较佳实施方式中，提供了一种无冲击矩形板压电微电机，其包括作为定子的矩形的金属板，金属板中心处具有通孔，金属板的两个表面上分别粘贴四个陶瓷压电片。在金属板的一个表面上，四个陶瓷压电片具有相同的形状，分别布置在矩形金属板的四个角部且共同环绕上述通孔，四个陶瓷压电片彼此不直接接触，其上各有一个电极；四个陶瓷压电片的极化方向皆平行于该表面的法线，每两个对角的陶瓷压电片构成一组，同组的两个陶瓷压电片具有相同的极化方向，不同组的压电片具有相反的极化方向，一组压电片的电极上加载正弦激励信号，另一组压电片的电极上加载余弦激励信号，金属板接地。金属板的另一个表面上的四个陶瓷压电片与这个表面上的四个陶瓷压电片关于金属板的中截面对称。金属板的通孔中套设金属环状件，金属环状件与金属板紧固地连接，其具有两个圆锥面，这两个圆锥面分别沿金属板的两个表面的法线向这两个表面展开。两个与输出轴固定连接的转子分别与这两个圆锥面接触，且被两个预紧机构紧紧地压迫在这两个圆锥面上，转子和圆锥面上还具有摩擦材料以增加两者之间的摩擦力。在使用时，被加载激励信号的本发明的无冲击矩形板压电微电机的定子发生由一阶纵振和二阶弯振叠加的复合振动(其中一阶纵振和二阶弯振频率一致)，其金属环状件的两个圆锥面上产生行波，通过转子和圆锥面之间的摩擦力，两个转子被驱动发生转动，由此输出轴输出转动力矩。在另一个较佳的实施例中，两个转子具有延伸到定子外部的部分，该部分与直线导轨接触并通过两者间的摩擦力带动导轨做直线运动。在第三个较佳的实施例中，两个转子具有延伸到定子外部的部分，该部分上布置有驱动齿轮，驱动齿轮与齿带配合以带动齿带做直线运动。

由此可见，本发明的无冲击矩形板压电微电机利用板的纵、弯复合模态在驱动面上激励出二阶行波，驱动面上的质点运动轨迹为椭圆，利用摩擦驱动转子转动，转子可输出旋转驱动或者直线驱动。由于驱动面上的质点运动轨迹为椭圆，驱动转子时同一时间至少有对称的两个质点与转子接触，消除了冲击力，所述的电机能平稳工作，起到稳定驱动的效果。本发明消除了冲击，解决了困扰矩形板类压电电机的驱动稳定性问题，具有结构紧凑、输出力矩大、成本低、精度高、制作简单等优点，利于微型化、产业化和安装集成。其在生物、医疗、微机械、自动控制、光学镜头等领域有广泛应用前景。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是在第一个实施例中，本发明的无冲击矩形板压电微电机的立体图。

图2显示了图1的无冲击矩形板压电微电机中的定子。

图3显示了图2中的定子的一阶纵振模态。

图4显示了图2中的定子的二阶弯振模态。

图5显示了图2中的定子的一阶纵振的振型和二阶弯振的振型。

图6显示了图2中的定子的驱动面的复合振动及表面行波。

图7显示了图1的无冲击矩形板压电微电机的剖面图。

图8是在第二个实施例中，本发明的无冲击矩形板压电微电机的剖面图。

图9是在第三个实施例中，本发明的无冲击矩形板压电微电机的剖面图。

图10显示了图9的无冲击矩形板压电微电机中转子上的驱动齿轮与齿带的配合。

具体实施方式

在本发明的较佳实施方式中，提供了一种无冲击矩形板压电微电机，如图1和7所示，其包括定子110、第一转子121、第二转子122、输出轴130、紧固件140、第一预紧机构151和第二预紧机构152。

定子110包括一个具有通孔的基板，通孔的表面作为微电机的驱动面。本实施例中，基板为矩形的金属板10，如图2所示。其具有两个表面(由于在其厚度方向延伸的四个表面的宽度，即金属板10的厚度，较小，四个表面在此不予以考虑)，一个为图2中可见的朝向纸面的第一表面，另一个为图2中不可见的背向纸面的第二表面。金属板10的中心处具有通孔30，通孔30沿金属板10的厚度方向延伸，从金属板10的第一表面贯通金属板10直到金属板10的第二表面。

本实施例中，通孔30中套设有中空的金属环状件40。金属环状件40与金属板紧固地连接，如图2和7所示，金属环状件40的朝向通孔30的中轴线的表面关于通孔30的中轴线轴对称。该表面是用于接触第一转子121和第二转子122的表面，也是本发明的无冲击矩形板压电微电机的驱动面，因此本文中所述的金属环状件40的表面即指这一表面。金属环状件40的表面包括有两个圆锥面，这两个圆锥面分别沿金属板10的两个表面的法线向这两个表面展开。本说明书中所述的圆锥面沿某表面的法线方向向该表面展开是指，该圆锥面的旋转轴与该法线方向重合，沿该法线方向，该圆锥面的母线逐渐偏离其旋转轴直到该表面处。

在这两个圆锥面之间，金属环状件40上具有向通孔30的中轴线凸出的部分，用于避免第一转子121和第二转子122的直接接触。

金属板10的第一和第二表面上皆粘贴有四个陶瓷压电片，金属板10的第一和第二表面上的陶瓷压电片关于金属板10的中截面(通过金属板的中心的与其第一和第二表面平行的截面)对称，以下以第一表面为例，描述这些陶瓷压电片。

如图2所示，四个陶瓷压电片21、22、23和24分布在金属板10的第一表面上，它们依次排布环绕通孔30及金属环状件40，彼此之间不直接接触而是由间隙隔开。本实施例中，四个陶瓷压电片21、22、23和24具有相同的形状，分别占据金属板10的第一表面的一个角部。这些陶瓷压电片皆具有第一表面和第二表面，它们的第一表面皆与金属板10的第一表面相接，本实施例中，陶瓷压电片的第一表面皆粘贴在金属板10的第一表面上。四个陶瓷压电片21、22、23和24的极化方向皆平行于该表面的法线，每两个对角的陶瓷压电片构成一组，同组的两个陶瓷压电片具有相同的极化方向，不同组的压电片具有相反的极化方向。即陶瓷压电片21和23构成一组陶瓷压电片，它们具有相同的极化方向，例如都与金属板10的第一表面的法线方向相同，或相反；陶瓷压电片22和24构成另一组陶瓷压电片，它们具有相同的极化方向，且和陶瓷压电片21和23的极化方向相反，例如都与金属板10的第一表面的法线方向相反，或相同。本实施例中，陶瓷压电片的第二表面上皆具有一个电极，用于加载驱动本发明的无冲击矩形板压电微电机的激励信号，各电极与金属环状件40之间皆具有间隙以确保各电极与金属环状件40之间的绝缘。本实施例中采用的激励信号具体地为电压信号，包括第一激励信号和第二激励信号，其中第一激励信号加载在一组陶瓷压电片的电极上，第二激励信号加载在另一组陶瓷压电片的电极上。具体地，第一激励信号为正弦激励信号，被在陶瓷压电片21的电极和陶瓷压电片23的电极上；第二激励信号为余弦激励信号，被在陶瓷压电片22的电极和陶瓷压电片24的电极上；或者反之。

金属板10的第二表面上的四个陶瓷压电片与陶瓷压电片21、22、23和24关于金属板10的中截面对称，具体地为：金属板10的第二表面上的四个陶瓷压电片与陶瓷压电片21、22、23和24的形状相同，分布方式也相同；金属板10的第二表面上的四个陶瓷压电片分别具有与陶瓷压电片21、22、23和24中与其对应的那个陶瓷压电片相反的极化方向，此处的对应是指对称，即关于金属板10的中截面与陶瓷压电片21对称的金属板10的第二表面上的那个陶瓷压电片的极化方向与陶瓷压电片21相反；金属板10的第二表面上的四个陶瓷压电片的电极与金属环状件40之间皆具有间隙以确保它们与金属环状件40之间的绝缘，这些电极上加载的激励信号分别与陶瓷压电片21、22、23和24中与其对应的那个陶瓷压电片相同，即关于金属板10的中截面与陶瓷压电片21对称的金属板10的第二表面上的那个陶瓷压电片的电极上加载的激励信号与陶瓷压电片21的电极上加载的激励信号相同。

第一转子121和第二转子122至少部分地被分别地容纳在金属环状件40的两个圆锥面和金属环状件40上的凸出的部分共同包络的空间内，并分别地被预紧机构151和152紧紧地压迫在这两个圆锥面上，本实施例中，第一转子121和第二转子122和/或这两个圆锥面上具有摩擦材料160，用于增加第一转子121和第二转子122与这两个圆锥面之间的摩擦力。第一转子121和第二转子122与输出轴130固定连接，并通过紧固件140实现它们之间的紧固连接，本实施例中采用的紧固件140为螺母，输出轴130上具有与该螺母配合的齿。

在使用本发明的无冲击矩形板压电微电机时，按前述的方式将激励信号加载到定子110的八个电极上，定子110由此会发生由一阶纵振和二阶弯振叠加的复合振动。图3显示了定子110的一阶纵振模态，可以看到通孔30从原来的圆形(图中以虚线表示)变为椭圆形，金属板10也从原来的矩形(图中以虚线表示)发生部分收缩与拉伸；图4显示了定子110的二阶弯振模态，可以看到通孔30从原来的圆形(图中以虚线表示)变为偏转的椭圆形，金属板10也从原来的矩形(图中以虚线表示)发生扭曲。定子110的一阶纵振的振型和二阶弯振的振型曲线显示在图5中，其中曲线L1为一阶纵振的振型曲线，曲线L2为二阶弯振的振型曲线。由此，通过设计定子110，例如设计金属板10的结构参数，能够在其上获得频率一致的一阶纵振和二阶弯振，这时发生复合振动的定子110的金属环状件的两个圆锥面上将产生行波，如图6所示，因此通过转子和圆锥面之间的摩擦力，两个转子121、122将被定子110驱动而发生转动，由此输出轴130输出转动力矩。

需要说明的是，本发明的无冲击矩形板压电微电机并不必须采用两个转子同时工作，也可以只使用一个转子，如第一转子121，并且相应地只使用在定子110的金属板10的第一表面上的四个陶瓷压电片21、22、23和24(即金属板10的第一表面上不布置陶瓷压电片)。这时的无冲击矩形板压电微电机也是可以正常工作的。

在本发明的另一个较佳的实施例中，如图8所示，其包括定子210、第一转子221、第二转子222、输出轴230、紧固件240、第一预紧机构251、第二预紧机构252和摩擦材料260。其中，定子210、输出轴230、紧固件240、第一预紧机构251、第二预紧机构252和摩擦材料260与前一实施例中的描述相同，在此不赘述。两个转子221、222具有延伸到定子210的外部的部分，该部分与直线导轨270接触并通过两者间的摩擦力带动导轨270做直线运动。

在本发明的第三个较佳的实施例中，如图9所示，其包括定子310、第一转子321、第二转子322、输出轴330、紧固件340、第一预紧机构351、第二预紧机构352和摩擦材料360。其中，定子310、输出轴330、紧固件340、第一预紧机构351、第二预紧机构352和摩擦材料360与第一个实施例中的描述相同，在此不赘述。两个转子321、322具有延伸到定子310的外部的部分，其中，第一转子321延伸到定子310的外部的部分上布置有驱动齿轮371，第二转子322延伸到定子310的外部的部分上布置有驱动齿轮372。驱动齿轮371、372与转子321、322同步运转，用于与齿带配合以带动齿带380(参见图10)做直线运动。图10示出了驱动齿轮371、372与齿带380的配合，其中驱动齿轮371、372与齿带380之间被弹性预紧机构(未图示)预紧，由此消除回程差以消除传动过程中的冲击力。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种无冲击矩形板压电微电机，包括定子和转子，其特征在于，所述定子为表面上具有至少两个压电片的矩形基板，所述矩形基板具有环绕所述转子的通孔，所述压电片皆邻接于所述通孔；

用于驱动所述无冲击矩形板压电微电机的激励信号被加载在所述矩形基板和所述压电片不与所述矩形基板相接的表面之间，所述激励信号包括彼此间相位相差π/2的第一激励信号和第二激励信号，相邻的两个压电片上加载的激励信号不同；

所述激励信号使定子产生的一阶纵振和二阶弯振的复合振动使所述通孔的表面上形成行波，所述行波使所述通孔的表面能通过摩擦力驱动所述转子转动；

所述矩形基板为金属板并且接地，所述通孔在所述矩形基板的中心处，所述矩形基板包括与所述通孔的中心轴线相垂直的第一表面和第二表面，所述矩形基板的第一表面上包括第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片，所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片，从所述矩形基板的第一表面的左上角开始以逆时针方向环绕所述通孔依次排布；所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片的极化方向皆平行于所述基板的第一表面的法线，所述第一压电片和第三压电片的极化方向与所述第二压电片和第四压电片的极化方向相反；所述矩形基板的第二表面上包括第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片，所述第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片，分别与所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片关于所述矩形基板的中截面对称分布一一对应；

所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片均包括第一表面和第二表面，所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片的第一表面与所述矩形基板的第一表面相接，所述第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片的第二表面上分别具有第一电极、第二电极、第三电极和第四电极；

所述第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片均包括第一表面和第二表面，所述第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片的第一表面与所述矩形基板的第二表面相接，所述第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片的第二表面上分别具有第五电极、第六电极、第七电极和第八电极；所述第五压电片、第六压电片、第七压电片和第八压电片具有与其对应的压电片相反的极化方向；

所述第一电极和第三电极上加载所述第一激励信号，所述第二电极和第四电极上加载所述第二激励信号；所述第五电极和第七电极上加载所述第一激励信号，所述第六电极和第八电极上加载所述第二激励信号；所述第一激励信号为正弦激励信号，所述第二激励信号为余弦激励信号；

所述通孔的表面部分地为圆锥面，所述圆锥面沿所述基板的第一表面的法线向所述基板的第一表面展开；所述通孔的表面还包括第二圆锥面，所述第二圆锥面沿所述基板的第二表面的法线向所述基板的第二表面展开；所述行波使所述圆锥面能通过摩擦力驱动所述转子转动；所述无冲击矩形板压电微电机还包括第二转子，所述行波使所述第二圆锥面能通过摩擦力驱动所述第二转子转动。

2.如权利要求1所述的无冲击矩形板压电微电机，其中还包括输出轴，所述输出轴与所述转子和/或所述第二转子相连以输出转动力矩。

3.如权利要求1所述的无冲击矩形板压电微电机，其中所述通孔上套设有中空的金属环状件，所述金属环状件紧固地连接于所述矩形基板；所述金属环状件的表面包括沿所述基板的第一表面的法线向所述基板的第一表面展开的第三圆锥面和沿所述基板的第二表面的法线向所述基板的第二表面展开的第四圆锥面，所述第三圆锥面与所述转子接触，所述第四圆锥面与所述第二转子接触。

4.如权利要求3所述的无冲击矩形板压电微电机，其中所述第三圆锥面上具有摩擦材料，所述第三圆锥面通过所述摩擦材料与所述转子接触；和/或

所述第四圆锥面上具有摩擦材料，所述第四圆锥面通过所述摩擦材料与所述第二转子接触。

5.如权利要求1所述的无冲击矩形板压电微电机，其中转子和/或第二转子的表面上具有摩擦材料。