CN106911263B - 多轴压电微电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴压电微电机，包括定子、转子和与输出轴，所述定子包括由压电材料制作的部分，用于驱动多轴压电微电机的激励信号在定子上激励出纵向振动和弯曲振动的复合振动以使定子驱动转子发生转动；转子的个数不小于两个，输出轴的个数不小于两个；至少两个输出轴与至少两个转子分别地相连以同时地输出所述至少两个转子的转动力矩。本发明的多轴压电微电机具有结构紧凑、输出力矩大、断电自锁、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。

Description

多轴压电微电机

技术领域

本发明涉及一种压电微电机，尤其涉及一种多轴压电微电机。

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。

多轴驱动、多轴输出的电机具有更大的输出力矩，但目前偶尔出现的多轴驱动的压电微电机都是多个电机同时工作实现的，如何让单个压电微电机的定子能够同时支持多运动输出(多轴输出)是一个需要解决的问题。这样将可能在更微小的体积范围实现精密驱动，并获得更大的输出力矩。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种多轴压电微电机，以使单个压电微电机的定子能够实现多轴输出。

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多轴压电微电机，通过设计一个定子、多个转子和多个输出轴的结构，实现具有更大的输出力矩的多轴压电微电机。

为实现上述目的，本发明提供了一种多轴压电微电机，包括定子、转子和与输出轴，所述定子包括由压电材料制作的部分，其特征在于，用于驱动所述多轴压电微电机的激励信号在所述定子上激励出纵向振动和弯曲振动的复合振动以使所述定子驱动所述转子发生转动；所述转子的个数不小于两个，所述输出轴的个数不小于两个；至少两个所述输出轴与至少两个所述转子分别地相连以同时地输出所述至少两个转子的转动力矩。

进一步地，对于每个所述转子，所述定子上具有一个驱动孔，所述转子至少部分地嵌入所述驱动孔内以被所述驱动孔的侧壁通过摩擦力驱动。

进一步地，所述定子上布置有多个用于加载所述激励信号的电极，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，所述多个电极中任意两个相邻的电极上加载的激励信号不同。

进一步地，各个所述转子的转速度相同或不同，各个所述转子分别地带动与其相连的所述输出轴，各个所述输出轴的转速相同或不同。

进一步地，还包括至少一个轮系，所述轮系布置在两个所述输出轴之间，所述轮系的传动比等于所述两个输出轴的转速比。

进一步地，所述轮系由齿轮构成。

可选地，所述定子包括压电片，所述压电片具有彼此平行的第一表面和第二表面，所述压电片的极化方向平行于所述第一表面和所述第二表面的法线；所述压电片上具有至少两个通孔，各个所述通孔从所述第一表面延伸到所述第二表面；对于每个所述通孔，所述压电片的所述第一表面上至少具有两个所述电极，所述至少两个电极皆邻接于所述通孔；所述压电片的所述第二表面接地。

进一步地，所述压电片为矩形板状，具有三个彼此垂直的中心对称面，其中第一中心对称面平行于所述的第一表面和第二表面，各个所述通孔的中心对称轴分布在第二中心对称面上。

可选地，所述通孔作为所述驱动孔，所述通孔的侧壁与其中的所述转子的表面相接触。

可选地，所述通孔内穿设有金属筒状件，所述金属筒状件与所述通孔紧固连接，所述金属筒状件作为所述驱动孔，所述金属筒状件的侧壁与其中的所述转子的表面相接触；所述金属筒状件与各个所述电极之间具有间隙。

进一步地，所述金属筒状件的所述侧壁至少部分地为圆锥面，所述圆锥面与所述转子的表面相接触。

进一步地，所述圆锥面朝向所述压电片的所述第一表面展开。

进一步地，所述通孔的个数为两个，所述电极的个数为四个，所述通孔关于所述压电片的第三中心对称面对称，所述电极关于所述压电片的第三中心对称面对称；所述四个电极中两个不相邻的电极构成第一组电极，另外两个不相邻的电极构成第二组电极；所述第一组电极上加载正弦激励信号，所述第二组电极上加载余弦激励信号。

进一步地，所述通孔的中心对称轴位于所述弯曲振动的振动节点处。

进一步地，所述定子还包括其上具有通孔的矩形板状的金属板，所述金属板贴合于所述压电片的第二表面，所述金属板接地；所述金属板上的通孔与所述压电片上的通孔连通，共同作为所述驱动孔。

进一步地，所述金属板的平行于所述压电片的第二表面的横截面具有与所述压电片的第二表面相同的形状。

可选地，所述定子由矩形板状的第一压电片、矩形板状的金属板和矩形板状的第二压电片依次贴合而成，所述第一压电片的第二表面与所述金属板的第一表面贴合，所述第二压电片的第一表面与所述金属板的第二表面贴合；所述第一压电片和所述第二压电片的极化方向皆平行于所述金属板的所述第一表面和所述第二表面的法线；所述定子上具有至少两个通孔，各个所述通孔从所述第一压电片的所述第一表面延伸到所述第一压电片的所述第二表面；对于每个所述通孔，所述第一压电片的所述第一表面上至少具有两个所述电极且所述至少两个电极皆邻接于所述通孔，所述第二压电片的所述第二表面上至少具有两个所述电极且所述至少两个电极皆邻接于所述通孔；所述金属板接地。

进一步地，所述定子具有三个彼此垂直的中心对称面，其中第一中心对称面平行于所述金属板的所述的第一表面和第二表面，各个所述通孔的中心对称轴分布在第二中心对称面上。

进一步地，在所述金属板上的所述通孔部分作为所述驱动孔；对于每个所述驱动孔，两个所述转子至少部分地嵌入所述驱动孔中，其中一个所述转子邻近所述第一压电片，另一个所述转子邻近所述第二压电片；所述驱动孔的侧壁包括两个圆锥面，所述两个圆锥面分别与所述两个转子的表面相接触。

进一步地，所述两个圆锥面分别朝向所述金属板的所述第一表面和所述第二表面展开。

进一步地，所述通孔的个数为两个，所述第一压电片上的所述电极的个数为四个，所述第二压电片上的所述电极的个数为四个；所述通孔关于所述定子的第三中心对称面对称，所述电极关于所述定子的第三中心对称面对称，所述第一压电片上的所述四个电极和所述第二压电片上的所述四个电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称；所述第一压电片上的所述四个电极中两个不相邻的电极构成第一组电极，另外两个不相邻的电极构成第二组电极；所述第二压电片上的所述四个电极中两个不相邻的电极构成第三组电极，另外两个不相邻的电极构成第四组电极，所述第一组电极和所述第三组电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称，所述第二组电极和所述第四组电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称。

进一步地，所述第一压电片的极化方向和所述第二压电片的极化方向相反，所述第一组电极和所述第三组电极上加载正弦激励信号，所述第二组电极和所述第四组电极上加载余弦激励信号。

进一步地，所述通孔的中心对称轴位于所述弯曲振动的振动节点处。

可选地，所述定子包括矩形板状的金属板、多个第一压电片和多个第二压电片；所述多个第一压电片的第一表面为所述电极，所述第一压电片的第二表面贴合在所述金属板的第一表面上；所述多个第二压电片的第二表面为所述电极，所述第二压电片的第一表面贴合在所述金属板的第二表面上；各个所述第一压电片和各个所述第二压电片的极化方向皆平行于所述金属板的所述第一表面和所述第二表面的法线；所述金属板上具有至少两个通孔，各个所述通孔从所述金属板的所述第一表面延伸到所述金属板的所述第二表面；对于每个所述通孔，所述金属板的所述第一表面上至少具有两个所述第一压电片且所述至少两个第一压电片皆邻接于所述通孔，所述金属板的所述第二表面上至少具有两个所述第二压电片且所述至少两个第二压电片皆邻接于所述通孔；所述金属板接地。

进一步地，所述定子具有三个彼此垂直的中心对称面，其中第一中心对称面平行于所述金属板的所述的第一表面和第二表面，各个所述通孔的中心对称轴分布在第二中心对称面上。

进一步地，在所述通孔作为所述驱动孔；对于每个所述通孔，两个所述转子至少部分地嵌入所述通孔中，其中一个所述转子邻近所述第一压电片，另一个所述转子邻近所述第二压电片；所述通孔的侧壁包括两个圆锥面，所述两个圆锥面分别与所述两个转子的表面相接触。

进一步地，所述两个圆锥面分别朝向所述金属板的所述第一表面和所述第二表面展开。

进一步地，所述通孔的个数为两个，所述第一压电片的个数为四个，所述第二压电片的个数为四个；所述通孔关于所述定子的第三中心对称面对称，所述第一压电片关于所述定子的第三中心对称面对称，所述第二压电片关于所述定子的第三中心对称面对称，所述第一压电片和所述第二压电片关于所述定子的所述第一中心对称面对称；所述四个第一压电片中两个不相邻的所述第一压电片上的电极构成第一组电极，另外两个不相邻的所述第一压电片上的电极构成第二组电极；所述四个第二压电片中两个不相邻的所述第二压电片上的电极构成第三组电极，另外两个不相邻的所述第二压电片上的电极构成第四组电极，所述第一组电极和所述第三组电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称，所述第二组电极和所述第四组电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称。

进一步地，各个所述第一压电片的极化方向和各个所述第二压电片的极化方向相反，所述第一组电极和所述第三组电极上加载正弦激励信号，所述第二组电极和所述第四组电极上加载余弦激励信号。

进一步地，所述通孔的中心对称轴位于所述弯曲振动的振动节点处。

在超声电机领域，多转轴(输出轴)并不是一个常用概念。为了增大扭矩，行波型、摇头型、纵扭型压电电机也曾出现了双转子的案例，但是还没有出现过多转轴的例子。超声电机是一类振动电机，需要利用定子上的振动摩擦驱动动子运动，由于模态振型中，各点的振动速度并不相同，因此并不能保证定子的每个点都能成为驱动点，也就是说转轴的个数、位置和形状是不能随意设置的。本发明多轴压电微电机利用压电陶瓷(和金属)构成的其上具有多个孔的矩形板定子，多个转子分别嵌入这些孔中，通过利用定子的面内纵振和弯振的合成模态作为工作模态，同时地驱动多个转子，从而带动输出轴。开孔的安装位置的不同，可以得到输出轴的不同的转速，通过利用安装在不同轴上的相互啮合的齿轮系可以固定所需的多轴联动转速比例和在轴间传递扭矩，由此充分利用电机的振动能量。本发明的多轴压电微电机具有结构紧凑、输出力矩大、断电自锁、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显示了本发明的多轴压电微电机中的定子的一种结构。

图2显示了本发明的多轴压电微电机中的定子的第二种结构。

图3显示了本发明的多轴压电微电机中的定子的第三种结构。

图4显示了本发明的多轴压电微电机中的定子的一阶纵振的振型和二阶弯振的振型。

图5显示了本发明的多轴压电微电机中的定子的一阶纵振的振型和三阶弯振的振型。

图6显示了本发明的多轴压电微电机中的定子的驱动面的复合振动及表面行波。

图7是在一个实施例中，本发明的多轴压电微电机的剖面图。

图8是显示了在另一个实施例中，本发明的多轴压电微电机的定子的一阶纵振的振型和三阶弯振的振型。

具体实施方式

本发明的多轴压电微电机，包括一个定子、至少两个转子和与至少两个输出轴，该定子驱动至少两个转子同时发生转动，至少两个输出轴与至少两个转子分别地相连以同时地输出至少两个转子的转动力矩。

如图1所示，在一个较佳的实施例中，本发明的多轴压电微电机中能够驱动多个转子以相应地带动多个输出轴转动的定子包括压电片110。本实施例中压电片110由压电材料制作，例如压电陶瓷。本实施例中压电片110为矩形板状，在其他实施例中其也可以是其他形状的板结构，例如圆形、椭圆形、菱形等，较佳地，其具有三个彼此垂直的中心对称面。矩形板状的压电片110具有两个表面(由于在其厚度方向延伸的四个表面的宽度，即压电片110的厚度，较小，四个表面在此不予以考虑)，一个为图1中可见的朝向纸面的第一表面，另一个为图1中不可见的背向纸面的第二表面。压电片110的极化方向为沿其厚度方向，即平行于上述的第一表面和第二表面的法线方向。压电片110的第一中心对称面平行于上述的第一表面和第二表面并在两者之间。压电片110具有通孔121和122，它们从压电片110的第一表面延伸到第二表面，它们的中心对称轴分布在压电片110的第二中心对称面上，较佳地，它们关于压电片110的第三中心对称面对称。

通孔121和122在近压电片110的第一表面处具有倒角，由此通孔121和122的侧壁部分地为朝向压电片110的第一表面展开的圆锥面，该圆锥面可用于与至少部分地嵌入通孔121和122的转子的表面接触以通过摩擦力驱动该转子转动，即通孔121和122可以作为驱动孔，这里一个驱动孔用于驱动一个转子。

图1所示的通孔121和122中分别地穿设有中空的金属筒状件141、142，作为驱动孔。金属筒状件141、142与压电片110紧固地连接，金属筒状件141、142的侧壁部分地为朝向压电片110的第一表面展开的圆锥面，该圆锥面用于与至少部分地嵌入金属筒状件141、142的转子的表面接触以通过摩擦力驱动该转子转动。本说明书中所述的圆锥面向某一表面展开是指，该圆锥面母线逐渐偏离其旋转轴地向该表面延伸。金属筒状件141、142上具有向其中轴线(即其所在的通孔的中心对称轴)凸出的部分，该部分用于抵触至少部分地嵌入于金属筒状件141、142的转子，以便于使用诸如紧固件510、520和预紧机构410、420这样的部件将转子压迫在金属筒状件的侧壁上。

压电片110的第一表面上分布有四个电极131、132、133和134，用于加载用于驱动本发明的多轴压电微电机的激励信号，其为沉积在压电片110的第一表面的金属层，例如Au。其中电极131和132依次排布环绕通孔121，其皆邻接于通孔121且与金属筒状件141之间具有间隙；电极133和134依次排布环绕通孔122，其皆邻接于通孔122且与金属筒状件142之间具有间隙；四个电极131、132、133和134彼此间也具有间隙。如图1所示，本实施例中，电极131、132、133和134关于压电片110的第二中心对称面对称，也关于压电片110的第三中心对称面对称。压电片110的第二表面接地，较佳地，压电片110的第二表面沉积金属，例如Au，然后该金属层接地。

用于驱动本发明的多轴压电微电机的激励信号包括相位相差π/2的第一激励信号和第二激励信号，例如第一激励信号为正弦激励信号，第二激励信号为余弦激励信号，或者反之。在四个电极131、132、133和134上加载激励信号时，相邻的电极上加载的激励信号不同。具体地为，电极131和134构成第一组电极，加载第一激励信号；电极132和133构成第二组电极，加载第二激励信号。

图1所示的定子还可以包括一个矩形板状的金属板，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较小，那四个表面在此不予以考虑)，其上具有两个通孔。该金属板的一个表面通过贴合于压电片110的第二表面，例如可以通过粘合、键合等方式。金属板上具有两个通孔，它们分别与压电片110上的通孔121和122连通，并可以共同作为驱动孔。金属筒状件141、142分别地穿设在通孔121、122和与通孔121、122连通的金属板上的通孔中，并紧固地连接在压电片110和该金属板上，作为驱动孔。驱动孔的形貌与前面描述的相同，压电片110、其上的电极以及激励信号的加载也与前面描述的相同，金属板接地。

图2示出了本发明的多轴压电微电机中的定子的另一种结构，其包括第一压电片1111、金属板1100和第二压电片1112。本实施例中第一压电片1111和第二压电片1112皆由压电材料制作，例如压电陶瓷。本实施例中的第一压电片1111、金属板1100和第二压电片1112皆为矩形板状，在其他实施例中其也可以是其他形状的板结构，例如圆形、椭圆形、菱形等。矩形板状的第一压电片1111、金属板1100和第二压电片1112皆具有两个表面(由于在其厚度较小，它们的其他四个表面在此不予以考虑)，它们的两个表面中的一个为图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。第一压电片1111和第二压电片1112的极化方向皆沿其厚度方向，即平行于它们的第一表面和第二表面的法线方向，且两者的极化方向相反。

第一压电片1111、金属板1100和第二压电片1112依次贴合形成定子，具体地为第一压电片1111的第二表面与金属板1100的第一表面贴合，金属板1100的第二表面与第二压电片1112的第一表面贴合。例如可以通过粘合、键合等方式进行贴合。较佳地，形成的定子具有三个彼此垂直的中心对称面，其中第一中心对称面平行于金属板1100的第一表面和第二表面并在两者之间。金属板1100上具有通孔1121和1122，它们从金属板1100的第一表面延伸到第二表面，它们的中心对称轴分布在该定子的第二中心对称面上，较佳地，它们关于该定子的第三中心对称面对称。相应地，第一压电片1111和第二压电片1112也分别具有两个通孔，第一压电片1111和第二压电片1112上的通孔分别地从第一压电片1111和第二压电片1112的第一表面延伸到第二表面，且分别地与通孔1121和1122连通以形成定子的两个驱动孔。

通孔1121和1122在近金属板1100的第一表面和第二表面处皆具有倒角，由此通孔1121和1122的侧壁部分地为朝向金属板1100的第一表面展开的圆锥面和朝向金属板1100的第二表面展开的圆锥面，该圆锥面可用于与至少部分地嵌入通孔1121和1122的转子的表面接触以通过摩擦力驱动该转子转动。可见，与图1所示的定子不同地，图2所示的定子的一个驱动孔可以同时驱动两个转子，这两个转子中的一个接近金属板1100的第一表面，另一个接近金属板1100的第二表面。第一压电片1111和第二压电片1112上的与通孔1121和1122连通的通孔的开口应该不小于通孔1121和1122在金属板1100的第一表面和第二表面处的开口，由此不影响转子的运动。

另外，可以与图1类似地，在通孔1121和1122中分别地穿设有中空的金属筒状件作为驱动孔。该金属筒状件应该与第一压电片1111、金属板1100和第二压电片1112紧固地连接，其侧壁部分应该具有两个圆锥面，较佳地，一个圆锥面朝向第一压电片1111的第一表面展开，另一个圆锥面朝向第二压电片1112的第二表面展开。

第一压电片1111的第一表面上分布有四个电极1131、1132、1133和1134，用于加载用于驱动本发明的多轴压电微电机的激励信号，其为沉积在第一压电片1111的第一表面的金属层，例如Au。其中电极1131和1132依次排布环绕包括通孔1121的驱动孔，其皆邻接于该驱动孔；电极1133和1134依次排布环绕通孔1122，其皆邻接于包括通孔1122的驱动孔，其皆邻接于该驱动孔；四个电极1131、1132、1133和1134彼此间也具有间隙。如图2所示，本实施例中，电极1131、1132、1133和1134关于定子的第二中心对称面对称，也关于定子的第三中心对称面对称。第二压电片1112的第二表面上分布有四个电极，这四个电极与电极1131、1132、1133和1134关于定子的第一中心对称面对称。金属板1100接地。

在这八个电极上加载激励信号时，相邻的电极上加载的激励信号不同，关于定子的第一中心对称面对称的两个电极上加载的激励信号相同。具体地为，电极1131和1134构成第一组电极，加载第一激励信号；电极1132和1133构成第二组电极，加载第二激励信号；第二压电片1112上与电极1131和1134关于定子的第一中心对称面对称的两个电极构成第三组电极，加载第一激励信号；第二压电片1112上与电极1132和1133关于定子的第一中心对称面对称的两个电极构成第四组电极，加载第二激励信号。

图3示出了本发明的多轴压电微电机中的定子的又一种结构，其包括四个第一压电片2121-2124、金属板2100和四个第二压电片2125-2128。本实施例中第一、二压电片2121-2128皆由压电材料制作，例如压电陶瓷。本实施例中的金属板2100为矩形板状，在其他实施例中其也可以是其他形状的板结构，例如圆形、椭圆形、菱形等。第一、二压电片2121-2128和金属板2100皆具有两个表面(由于在其厚度较小，它们的其他表面在此不予以考虑)，它们的两个表面中的一个为图3中可见的朝向纸面的第一表面，另一个为图3中不可见的背向纸面的第二表面。第一、二压电片2121-2128的极化方向皆沿其厚度方向，即平行于它们的第一表面和第二表面的法线方向，各个第一压电片的极化方向相同，各个第二压电片的极化方向相同，第一压电片和第二压电片的极化方向相反。

金属板2100具有三个彼此垂直的中心对称面，其中第一中心对称面平行于金属板2100的第一表面和第二表面并在两者之间。金属板2100上具有通孔2121和2122，它们从金属板2100的第一表面延伸到第二表面，它们的中心对称轴分布在金属板2100的第二中心对称面上，较佳地，它们关于金属板2100的第三中心对称面对称。通孔2121和2122在近金属板2100的第一表面和第二表面处皆具有倒角，由此通孔2121和2122的侧壁部分地为朝向金属板2100的第一表面展开的圆锥面和朝向金属板2100的第二表面展开的圆锥面，该圆锥面可用于与至少部分地嵌入通孔2121和2122的转子的表面接触以通过摩擦力驱动该转子转动。

可见，与图2所示的定子相同地，图3所示的定子的一个通孔(作为驱动孔)可以同时驱动两个转子，这两个转子中的一个接近金属板2100的第一表面，另一个接近金属板2100的第二表面。另外，可以与图1类似地，在通孔2121和2122中分别地穿设有中空的金属筒状件作为驱动孔。该金属筒状件应该与金属板1100紧固地连接，其侧壁部分应该具有两个圆锥面，较佳地，一个圆锥面朝向金属板2100的第一表面展开，另一个圆锥面朝向金属板2100的第二表面展开。

第一压电片2121-2124、金属板2100和第二压电片2125-2128依次贴合形成定子，具体地为第一压电片2121-2124的第二表面皆与金属板2100的第一表面贴合，第二压电片2125-2128的第一表面皆与金属板2100的第二表面贴合。例如可以通过粘合、键合等方式进行贴合。第一压电片2121-2124的第一表面皆具有金属层，例如Au，作为四个电极；第二压电片2125-2128的第二表面皆具有金属层，例如Au，作为四个电极；这八个电极用于加载用于驱动本发明的多轴压电微电机的激励信号。在贴合第一压电片2121-2124和第二压电片2125-2128时，使第一压电片2121和2122依次排布环绕通孔2121在金属板2100的第一表面上的开口，使第二压电片2125和2126依次排布环绕通孔2121在金属板2100的第二表面上的开口，它们皆邻接于该通孔；使第一压电片2123和2124依次排布环绕通孔2122在金属板2100的第二表面上的开口，使第二压电片2127和2128依次排布环绕通孔2122在金属板2100的第二表面上的开口，它们皆邻接于该通孔。第一压电片2121-2124彼此间具有间隙，第二压电片2125-2128彼此间也具有间隙。如图3所示，本实施例中，第一压电片2121-2124彼此间关于金属板2100的第二中心对称面对称，也关于金属板2100的第三中心对称面对称。第二压电片2125-2128彼此间关于金属板2100的第二中心对称面对称，也关于金属板2100的第三中心对称面对称。第一压电片和第二压电片关于金属板2100的第一中心对称面对称。金属板2100接地。

在这八个压电片的电极上加载激励信号时，相邻的压电片的电极上加载的激励信号不同，关于金属板2100的第一中心对称面对称的两个压电片的电极上加载的激励信号相同。具体地为，第一压电片2121和2124上的两个电极构成第一组电极，加载第一激励信号；第一压电片2122和2123上的两个电极构成第二组电极，加载第二激励信号；第二压电片2125和2128上的两个电极构成第三组电极，加载第一激励信号；第二压电片2126和2127上的两个电极构成第四组电极，加载第二激励信号。

以上各种结构的定子被加载了激励信号后发生振动，该振动是纵向振动和弯曲振动的复合振动，例如纵向振动为一阶纵振，弯曲振动为二阶弯振或三阶弯振。图4和5示出了定子的两种复合振动的振型曲线，其中曲线L1为一阶纵振的振型曲线，L2为二阶弯振的振型曲线，L3为三阶弯振的振型曲线。从图4可以看出，定子上的两个通孔被布置在弯曲振动的两个振动节点处。在此振动节点处，通孔的侧壁(或穿设于通孔内的金属筒状件的侧壁)，即驱动面，上的质点的扭振幅最大且纵振幅适中，此时驱动面对转子的驱动力较佳。随着通孔往中间(定子的中心)移动，驱动面上质点的扭振幅、纵振幅都将减小，由此驱动面对定子的驱动速度和力矩就会减小。图5的情况是类似的，通孔布置在纵向振动大于零的弯曲振动的两个振动节点处，此时驱动面对转子的驱动力较佳。随着通孔往中间移动，驱动面上质点的扭振幅先减小后增大、纵振幅持续减小。

图6给出了发生复合振动的定子上的通孔的侧壁(或穿设于通孔内的金属筒状件的侧壁)上的复合振动及表面行波，其中虚线部分为未发生振动时的驱动面。由于转子被压迫在驱动面上，定子发生振动时，驱动面部分地接触转子并通过其与转子表面之间的摩擦力带动转子转动。

图7示出了采用图2或3所示的定子构造的本发明的多轴压电微电机的结构，其中的定子包括两个通孔作为驱动孔，每一个驱动孔同时驱动两个转子。具体地，其包括定子100、第一转子211、第二转子212、第三转子221、第四转子222、第一输出轴310、第二输出轴320和中间轴330。

其中，定子100上具有两个通孔，第一转子211和第二转子212至少部分地嵌入一个通孔中，第三转子221和第四转子222至少部分地嵌入另一个通孔中。第一转子211、第二转子212、第三转子221和第四转子222嵌入定子100上的通孔的部分为圆台体状，相应地，定子100的两个通孔与这四个转子接触的侧壁的部分皆为圆锥面。

紧固件510通过预紧机构410将第二转子212压迫在通孔内，使第二转子212的表面紧密地压迫在该通孔的侧壁上，本实施例中，紧固件510为螺母，预紧机构410为弹簧。类似地，紧固件520通过预紧机构420将第四转子222压迫在通孔内，使第四转子222的表面紧密地压迫在该通孔的侧壁上，本实施例中，紧固件520为螺母，预紧机构420为弹簧。第一转子211与第二转子212相连，两者共用预紧机构410和紧固件510，即紧固件510也通过预紧机构410将第一转子211压迫在通孔内，使第一转子211的表面紧密地压迫在该通孔的侧壁上。同样，第三转子221与第四转子222相连，两者共用预紧机构420和紧固件520，即紧固件520也通过预紧机构420将第三转子221压迫在通孔内，使第三转子221的表面紧密地压迫在该通孔的侧壁上。

第一输出轴310与第一转子211和第二转子212相连且穿过它们所在的通孔，第二输出轴320与第三转子221和第四转子222相连且穿过它们所在的通孔。第一输出轴310和第二输出轴320的一端支撑在支架710上，另一端支撑在支架720上，它们的两个端部为圆锥体状，分别嵌入于支架710、720上的四个凹槽内，这四个凹槽用于限制两个输出轴310、320在其轴向上的移动以及限制两个输出轴310、320的横向(即垂直于其轴向的方向)移动，但不限制其转动。支架710、720是用于固定本发明的多轴压电微电机中的各个前述的部件，其也可以是用于容纳固定上述各个部件的机体外壳。

第一输出轴310和第二输出轴320之间布置有轮系，轮系的传动比等于第一输出轴310和第二输出轴320的转速比。本实施例中，轮系为由齿轮构成的齿轮系，其包括齿轮610、齿轮620和齿轮630。齿轮610固定地套设在第一输出轴310上，齿轮620固定地套设在第二输出轴320上，齿轮630固定地套设在中间轴330上，齿轮610、齿轮620和齿轮630依次地啮合。其中，中间轴330的一端支撑在支架710上，另一端支撑在定子100的非压电片的部分上，例如前述的金属板1100或金属板2100上。类似地，其两个端部为圆锥体状，分别嵌入于支架710和金属板上的两个凹槽内，这两个凹槽用于限制中间轴330的平移，但不限制其转动。

通过第一输出轴310和第二输出轴320的转速比，相应地选择齿轮610、齿轮620和齿轮630的齿数，由此能够确定该轮系的传动比以使其等于第一输出轴310和第二输出轴320的转速比。本实施例中，在第一输出轴310和第二输出轴320之间布置中间轴330和齿轮630的作用是同步两个输出轴310、320。这是考虑到如果没有中间轴330和齿轮630，在外力矩不同时，两个输出轴310、320有可能不同步。本发明的多轴压电微电机工作时，定子100通过上述两个通孔的内壁驱动第一转子211、第二转子212、第三转子221和第四转子222转动，由此带动第一输出轴310和第二输出轴320转动。

另外，定子上可以布置多于两个的驱动孔，如图8所示，在本发明的第二个较佳的实施例中，矩形板状的定子上布置了四个驱动孔。驱动孔在定子上的位置可以这样选择：确定定子的三个彼此垂直的中心对称面，将所有的驱动孔的中心对称轴皆分布在定子的一个中心对称面上，且关于定子的其他两个中心对称面皆对称，确定定子发生复合振动的振型曲线，使各个驱动孔的中心对称轴通过或接近其中的弯曲振动的节点并且不通过纵向振动为零的位置。图8中示出的定子的振动为一阶纵振和三阶弯振的复合振动，曲线L11为一阶纵振的振型曲线，L33为三阶弯振的振型曲线。在确定定子的电极时，与前述的相同地，对于每个驱动孔至少有两个电极(或两个单面为电极的压电片)邻接于它，相邻两个电极上加载的激励信号不同。如图8所示，在本实施例中，图中的线段A、B和C将定子的表面分割成了6个区域，每个区域分布一个电极(或单面为电极的压电片)，即本实施例中驱动孔的个数为四个，电极(或单面为电极的压电片)的个数为6个，相应地，其可以同时驱动四个或八个转子，由此同时带动四个驱动轴。定子的其他结构及其与多轴压电微电机中的其他部件的连接关系与第一个实施例中的相同，在此不赘述；具有本实施例所述的定子的多轴压电微电机的激励信号的加载及其工作与第一个实施例中的相同，在此不赘述。

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 (29)

1.一种多轴压电微电机，包括定子、转子和与输出轴，所述定子包括由压电材料制作的部分，其特征在于，用于驱动所述多轴压电微电机的激励信号在所述定子上激励出纵向振动和弯曲振动的复合振动以使所述定子驱动所述转子发生转动；所述转子的个数不小于两个，所述输出轴的个数不小于两个；所述定子包括至少两个驱动孔，所述驱动孔的侧壁为驱动面，每个所述驱动孔内至少部分地嵌入至少一个所述转子，所述转子被所述驱动面通过摩擦力驱动；每个所述输出轴分别与每个所述驱动孔的至少一个所述转子相连，至少两个所述输出轴同时地输出分别与其相连的所述转子的转动力矩。

2.如权利要求1所述的多轴压电微电机，其中所述定子上布置有多个用于加载所述激励信号的电极，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，所述多个电极中任意两个相邻的电极上加载的激励信号不同。

3.如权利要求2所述的多轴压电微电机，其中各个所述转子的转速度相同或不同，各个所述转子分别地带动与其相连的所述输出轴，各个所述输出轴的转速相同或不同。

4.如权利要求3所述的多轴压电微电机，其中还包括至少一个轮系，所述轮系布置在两个所述输出轴之间，所述轮系的传动比等于所述两个输出轴的转速比。

5.如权利要求4所述的多轴压电微电机，其中所述轮系由齿轮构成。

6.如权利要求3所述的多轴压电微电机，其中所述定子包括压电片，所述压电片具有彼此平行的第一表面和第二表面，所述压电片的极化方向平行于所述第一表面和所述第二表面的法线；所述压电片上具有至少两个通孔，各个所述通孔从所述第一表面延伸到所述第二表面；对于每个所述通孔，所述压电片的所述第一表面上至少具有两个所述电极，所述至少两个电极皆邻接于所述通孔；所述压电片的所述第二表面接地。

7.如权利要求6所述的多轴压电微电机，其中所述压电片为矩形板状，具有三个彼此垂直的中心对称面，其中第一中心对称面平行于所述的第一表面和第二表面，各个所述通孔的中心对称轴分布在第二中心对称面上。

8.如权利要求7所述的多轴压电微电机，其中所述通孔作为所述驱动孔，所述通孔的侧壁与其中的所述转子的表面相接触。

9.如权利要求7所述的多轴压电微电机，其中所述通孔内穿设有金属筒状件，所述金属筒状件与所述通孔紧固连接，所述金属筒状件作为所述驱动孔，所述金属筒状件的侧壁与其中的所述转子的表面相接触；所述金属筒状件与各个所述电极之间具有间隙。

10.如权利要求9所述的多轴压电微电机，其中所述金属筒状件的所述侧壁至少部分地为圆锥面，所述圆锥面与所述转子的表面相接触。

11.如权利要求10所述的多轴压电微电机，其中所述圆锥面朝向所述压电片的所述第一表面展开。

12.如权利要求7所述的多轴压电微电机，其中所述通孔的个数为两个，所述电极的个数为四个，所述通孔关于所述压电片的第三中心对称面对称，所述电极关于所述压电片的第三中心对称面对称；所述四个电极中两个不相邻的电极构成第一组电极，另外两个不相邻的电极构成第二组电极；所述第一组电极上加载正弦激励信号，所述第二组电极上加载余弦激励信号。

13.如权利要求12所述的多轴压电微电机，其中所述通孔的中心对称轴位于所述弯曲振动的振动节点处。

14.如权利要求6-13中任何一个所述的多轴压电微电机，其中所述定子还包括其上具有通孔的矩形板状的金属板，所述金属板贴合于所述压电片的第二表面，所述金属板接地；所述金属板上的通孔与所述压电片上的通孔连通，共同作为所述驱动孔。

15.如权利要求14所述的多轴压电微电机，其中所述金属板的平行于所述压电片的第二表面的横截面具有与所述压电片的第二表面相同的形状。

16.如权利要求3所述的多轴压电微电机，其中所述定子由矩形板状的第一压电片、矩形板状的金属板和矩形板状的第二压电片依次贴合而成，所述第一压电片的第二表面与所述金属板的第一表面贴合，所述第二压电片的第一表面与所述金属板的第二表面贴合；所述第一压电片和所述第二压电片的极化方向皆平行于所述金属板的所述第一表面和所述第二表面的法线；所述定子上具有至少两个通孔，各个所述通孔从所述第一压电片的所述第一表面延伸到所述第一压电片的所述第二表面；对于每个所述通孔，所述第一压电片的所述第一表面上至少具有两个所述电极且所述至少两个电极皆邻接于所述通孔，所述第二压电片的所述第二表面上至少具有两个所述电极且所述至少两个电极皆邻接于所述通孔；所述金属板接地。

17.如权利要求16所述的多轴压电微电机，其中所述定子具有三个彼此垂直的中心对称面，其中第一中心对称面平行于所述金属板的所述的第一表面和第二表面，各个所述通孔的中心对称轴分布在第二中心对称面上。

18.如权利要求17所述的多轴压电微电机，其中在所述金属板上的所述通孔部分作为所述驱动孔；对于每个所述驱动孔，两个所述转子至少部分地嵌入所述驱动孔中，其中一个所述转子邻近所述第一压电片，另一个所述转子邻近所述第二压电片；所述驱动孔的侧壁包括两个圆锥面，所述两个圆锥面分别与所述两个转子的表面相接触。

19.如权利要求18所述的多轴压电微电机，其中所述两个圆锥面分别朝向所述金属板的所述第一表面和所述第二表面展开。

20.如权利要求17所述的多轴压电微电机，其中所述通孔的个数为两个，所述第一压电片上的所述电极的个数为四个，所述第二压电片上的所述电极的个数为四个；所述通孔关于所述定子的第三中心对称面对称，所述电极关于所述定子的第三中心对称面对称，所述第一压电片上的所述四个电极和所述第二压电片上的所述四个电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称；所述第一压电片上的所述四个电极中两个不相邻的电极构成第一组电极，另外两个不相邻的电极构成第二组电极；所述第二压电片上的所述四个电极中两个不相邻的电极构成第三组电极，另外两个不相邻的电极构成第四组电极，所述第一组电极和所述第三组电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称，所述第二组电极和所述第四组电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称。

21.如权利要求20所述的多轴压电微电机，其中所述第一压电片的极化方向和所述第二压电片的极化方向相反，所述第一组电极和所述第三组电极上加载正弦激励信号，所述第二组电极和所述第四组电极上加载余弦激励信号。

22.如权利要求17所述的多轴压电微电机，其中所述通孔的中心对称轴位于所述弯曲振动的振动节点处。

23.如权利要求3所述的多轴压电微电机，其中所述定子包括矩形板状的金属板、多个第一压电片和多个第二压电片；所述多个第一压电片的第一表面为所述电极，所述第一压电片的第二表面贴合在所述金属板的第一表面上；所述多个第二压电片的第二表面为所述电极，所述第二压电片的第一表面贴合在所述金属板的第二表面上；各个所述第一压电片和各个所述第二压电片的极化方向皆平行于所述金属板的所述第一表面和所述第二表面的法线；所述金属板上具有至少两个通孔，各个所述通孔从所述金属板的所述第一表面延伸到所述金属板的所述第二表面；对于每个所述通孔，所述金属板的所述第一表面上至少具有两个所述第一压电片且所述至少两个第一压电片皆邻接于所述通孔，所述金属板的所述第二表面上至少具有两个所述第二压电片且所述至少两个第二压电片皆邻接于所述通孔；所述金属板接地。

24.如权利要求23所述的多轴压电微电机，其中所述定子具有三个彼此垂直的中心对称面，其中第一中心对称面平行于所述金属板的所述的第一表面和第二表面，各个所述通孔的中心对称轴分布在第二中心对称面上。

25.如权利要求24所述的多轴压电微电机，其中在所述通孔作为所述驱动孔；对于每个所述通孔，两个所述转子至少部分地嵌入所述通孔中，其中一个所述转子邻近所述第一压电片，另一个所述转子邻近所述第二压电片；所述通孔的侧壁包括两个圆锥面，所述两个圆锥面分别与所述两个转子的表面相接触。

26.如权利要求25所述的多轴压电微电机，其中所述两个圆锥面分别朝向所述金属板的所述第一表面和所述第二表面展开。

27.如权利要求24所述的多轴压电微电机，其中所述通孔的个数为两个，所述第一压电片的个数为四个，所述第二压电片的个数为四个；所述通孔关于所述定子的第三中心对称面对称，所述第一压电片关于所述定子的第三中心对称面对称，所述第二压电片关于所述定子的第三中心对称面对称，所述第一压电片和所述第二压电片关于所述定子的所述第一中心对称面对称；所述四个第一压电片中两个不相邻的所述第一压电片上的电极构成第一组电极，另外两个不相邻的所述第一压电片上的电极构成第二组电极；所述四个第二压电片中两个不相邻的所述第二压电片上的电极构成第三组电极，另外两个不相邻的所述第二压电片上的电极构成第四组电极，所述第一组电极和所述第三组电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称，所述第二组电极和所述第四组电极关于所述定子的所述第一中心对称面对称。

28.如权利要求27所述的多轴压电微电机，其中各个所述第一压电片的极化方向和各个所述第二压电片的极化方向相反，所述第一组电极和所述第三组电极上加载正弦激励信号，所述第二组电极和所述第四组电极上加载余弦激励信号。

29.如权利要求24所述的多轴压电微电机，其中所述通孔的中心对称轴位于所述弯曲振动的振动节点处。

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