CN110971141A - 一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，包括外壳、安装于所述外壳内的定子，以能够转动的方式穿过定子的转子和安装于外壳外的驱动电源；定子包括中空的多边框形弹性体和多个压电陶瓷片，多边框形弹性体的每个外边处均设置有两个压电陶瓷片，多边框形弹性体的各内边上分别延伸出驱动足，处于同一外边上的两压电陶瓷片位于对应内边的所述驱动足的两侧；各压电陶瓷片分为两组，两组压电陶瓷片分别电性连接驱动电源的相应输出端，同一外边上的两压电陶瓷片分别位于不同的组内，且相邻的两压电陶瓷片也分别位于不同的组内。与现有技术相比，结构简单，驱动控制方式简单，提升了旋转超声电机的输出效率；同时各部件加工难度小。

Description

一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机
技术领域
本发明涉及一种旋转超声电机，更具体地说涉及一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机。
背景技术
超声电机是一种新型微特电机，旋转超声电机是超声电机的一种类型，其工作原理是利用压电元件的逆压电效应将输入的电能转化为机械能，激发定子振动体的超声频率的机械振动(微米级)，并通过定子和转子之间的摩擦耦合作用来直接驱动转子做旋转运动。
与传统的电磁电机相比，超声电机具有相应速度快(毫秒级)、定位精度高、无电磁干扰和断电自锁等优点，在精密仪器、航空航天、微机电系统、医疗器械等领域有着广泛的应用前景。但是，目前的旋转超声电机普遍存在着定子结构复杂、体积较大和加工难度大的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，其结构简单、体积较小，加工容易，同时驱动控制方式简单。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，包括外壳、安装于所述外壳内的定子，以能够转动的方式穿过所述定子的转子和安装于所述外壳外的驱动电源；所述定子包括中空的多边框形弹性体和多个压电陶瓷片，所述多边框形弹性体的每个外边处均设置有两个所述压电陶瓷片，所述多边框形弹性体的各内边上分别延伸出用以与所述转子接触配合的驱动足，处于同一外边上的两所述压电陶瓷片位于对应内边的所述驱动足的两侧；其中，各所述压电陶瓷片分为两组，两组所述压电陶瓷片分别电性连接所述驱动电源的相应输出端，同一外边上的两所述压电陶瓷片分别位于不同的组内，且相邻的两所述压电陶瓷片也分别位于不同的组内。
所述驱动电源具有两路独立的驱动信号，且所述驱动电源的相应输出端为信号输出端，两所述驱动信号分别与两所述信号输出端一一对应电性连接，且两所述驱动信号均为方波驱动信号或正弦驱动信号，两所述驱动信号的相位差为π/2。
各所述压电陶瓷片均沿厚度方向极化，各所述压电陶瓷片的极化方式为d31。
所述外壳包括壳体和安装于所述壳体上的定子安装座，所述壳体和所述定子安装座安装后的内部形成有一个安装腔，所述多边框形弹性体安装于所述定子安装座上，且所述多边框形弹性体位于所述安装腔内。
所述定子安装座和所述壳体上分别安装有轴承，两所述轴承分设于所述多边框形弹性体的两侧，所述转子的两端分别穿设于所述轴承内。
各所述驱动足均呈半圆柱体状。
各所述压电陶瓷片均为方形片。
采用上述结构后，本发明具有如下有益效果：本发明通过采用呈多边框形的定子进行驱动，结构简单，驱动控制方式简单，且多边框形弹性体的各外边均贴设有两片压电陶瓷片，确保了旋转超声电机的输出效率；同时，各部件构成的整体体积较小，更易于微小型化，且各部件的结构简单、加工难度小，连接方便。
附图说明
图1为本发明中旋转超声电机的结构示意图；
图2为本发明中旋转超声电机的剖视图；
图3为本发明中定子和转子的安装示意图(省略法兰盘)；
图4为本发明中三边框形弹性体的结构示意图；
图5为本发明中三边框形弹性体的第一阶段弯曲振动示意图；
图6为本发明中三边框体弹性体的第二阶段弯曲振动示意图；
图7为本发明中三边框体弹性体的第三阶段弯曲振动示意图；
图8为本发明中三边框体弹性体的第四阶段弯曲振动示意图。
图中：
10-外壳； 11-壳体；
111-安装腔； 12-定子安装座；
13-轴承； 20-定子；
21-多边框形弹性体； 211-驱动足；
22-压电陶瓷片； 30-转子。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，如图1-4所示，包括外壳10、定子20、转子30和驱动电源。定子20安装于外壳体10内，转子20以能够转动的方式穿过定子，驱动电源安装在外壳10外，并且，驱动电源能够输出两路独立的驱动信号。
如图1-4所示，定子20包括多边框形弹性体21和压电陶瓷片22，多边框形弹性体21具有多条边，各边均包括相对应外边和内边，多边框形弹性体21的各内边共同围合呈一个中空部位，上述的转子30穿过该中空部位，且多边框形弹性体的每个外边处分别贴设有两个上述的压电陶瓷片22，同一外边的两压电陶瓷片22并排布置。
本发明中，为方便描述，以多边框形弹性体21包围的一侧为内侧，相背离的一侧为外侧。
多边框形弹性体21的各内边处分别向内延伸出驱动足211，驱动足211用以与转子30接触配合而使转子30旋转，换言之，各驱动足211分别通过对应的多边框弹性体21的弯曲形变与转子接触，从而带动转子30旋转。其中，处于同一外边的两压电陶瓷片22分别位于对应内边的驱动足211的两侧，即各驱动足211分别对应位于对应的外边的两压电陶瓷片22之间。各压电陶瓷片22分为两组，两组压电陶瓷片分别电性连接驱动电源的相应输出端，同一外边上的两压电陶瓷片22分别位于不同组内，且相邻的两压电陶瓷片也分别位于不同的组内。
具体而言，各驱动足211均呈半圆柱体状，且各驱动足211均与转子30的外侧面接触配合。各压电陶瓷片22均呈长方形状，同一组内的各压电陶瓷片22均电性连接至驱动电源的同一个相应输出端，其中，且各压电陶瓷片22沿厚度方向极化，极化方式为d31。
在本发明中，多边框形弹性体21均是采用具有弹性的金属材料制作而成的弹性体，例如紫铜、45钢或航空铝等。
如图1-2所示，转子30穿过上述的多边框形弹性体21的中空部位，且转子30的两端分别可转动地安装于外壳10上。具体而言，外壳10包括壳体11和定子安装座12，壳体11与定子安装座12安装在一起，且壳体11和定子安装座12安装后的内部形成有安装腔111，其中，壳体11与定子安装座12之间的安装结构为常规的安装结构，例如，两者之间采用螺钉安装在一起；上述的多边框形弹性体21位于该安装腔111内，且上述的多边框形弹性体21安装在定子安装座12朝向安装腔111的一侧处，两者的安装也为常规安装结构，例如定子安装座12与多边框形弹性体21之间采用螺钉安装在一起；其中，壳体11与定子安装座12上分别安装有轴承13，两轴承13分设于多边框形弹性体21的两侧，且两轴承13相背布置，转子30的两端，即转子30的转动轴的两端与两轴承13分别一对一配设，转子30的两端分别插设于对应的轴承13内。
本实施例中，上述的定子安装座12可为法兰盘，且法兰盘与安装于其上的轴承13可以共同构成现有公知的带法盘轴承。壳体11也可以为现有常规的轴承座。其中，轴承座上对应于轴承处配设有轴承端盖，以便使壳体11和定子安装座12形成密封的空间。
本发明中，上述的驱动电源的相应输出端为信号输出端，上述的驱动电源的两路独立驱动信号与两信号输出端一一对应连接，这里以有线连接为例，一路驱动信号施加于一组压电陶瓷片上，另一路驱动信号施加于另一组压电陶瓷片上。其中，两驱动信号均为方波驱动信号或者正弦驱动信号，两驱动信号的相位差为π/2。
本实施例中，以两驱动信号均为方波驱动信号，且多边框形弹性体21为三边框弹性体为例进行说明。
如图3-4所示，当多边框形弹性体21为三边框弹性体时，压电陶瓷片22有六片，以一组的各压电陶瓷片均为压电陶瓷片E1,另一组的各压电陶瓷片均为压电陶瓷片E2，各压电陶瓷片E1均与驱动电源的同一相应输出端连接，各压电陶瓷片E2均与驱动电源的同一相应输出端连接。这样，三边框弹性体以图4中的上角为起点，按逆时针方向各压电陶瓷片22依次按如下方式布置：压电陶瓷片E1、压电陶瓷片E2、压电陶瓷片E1、压电陶瓷片E2、压电陶瓷片E1、压电陶瓷片E2。
如图5-8所示，当旋转超声电机在工作模式下，驱动电源分别施加在三片压电陶瓷片E1上方波驱动信号一，施加在三片压电陶瓷片E2上方波驱动信号二，方波驱动信号一和方波驱动信号二的相位差为π/2，其中，方波驱动信号一和方波驱动信号二均包括正电压信号和负电压信号。
在方波驱动信号一和方波驱动信号二的激励下，激发两组压电陶瓷片产生不同的形变，从而使三边框弹性体的每条边均产生弯曲振动，其弯曲振动过程分为四个阶段，具体如下：
第一阶段，两组压电陶瓷片均同时施加正电压信号，以激发各边上的两组压电陶瓷片同时拉伸，使各边产生向外凸的弯曲，从而带动各边的驱动足211向外运动；
第二阶段，各压电陶瓷片E1均施加负电压信号，各压电陶瓷片E2均施加正电压信号，以激发各边上的压电陶瓷片E1均收缩，令各边对应于压电陶瓷片E1的部分产生向内凹的弯曲，激发各边上的压电陶瓷片E2均拉伸，令各边对应于压电陶瓷片E2的部分产生向外凸的弯曲；这样，带动各驱动足211同时沿逆时针方向运动；
第三阶段，两组压电陶瓷片均同时施加负电压信号，以激发各边上的两组压电陶瓷片同时收缩，使各边产生向内凹的弯曲，从而带动各边上的驱动足211向内运动；
第四阶段，各压电陶瓷片E1均施加正电压信号，各压电陶瓷片E2均施加负电压信号，以激发各边上的压电陶瓷片E1均拉伸，令各边对应于压电陶瓷片E1的部分产生向外凸的弯曲，激发各边上的压电陶瓷片E2均收缩，令各边对应于压电陶瓷片E2的部分产生向内凹的弯曲；这样，带动各驱动足211沿顺时针方向运动。
通过上述的周期振动，带动三个驱动足211做微幅高频周期运动，实现将输入的电能转换成机械能，从而通过三个驱动足211与转子的外侧壁的滚动摩擦而使转子旋转。
本发明中，驱动电源为现有常见的超声电机通用的驱动电源。
本发明中，上述的转子30可为双边输出，也可为单边输出。
以上所述仅为本实施例的优选实施例，凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化和修饰，均应属于本发明的权利要求范围。

Claims (7)

1.一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，其特征在于：包括外壳、安装于所述外壳内的定子，以能够转动的方式穿过所述定子的转子和安装于所述外壳外的驱动电源；所述定子包括中空的多边框形弹性体和多个压电陶瓷片，所述多边框形弹性体的每个外边处均设置有两个所述压电陶瓷片，所述多边框形弹性体的各内边上分别延伸出用以与所述转子接触配合的驱动足，处于同一外边上的两所述压电陶瓷片位于对应内边的所述驱动足的两侧；其中，各所述压电陶瓷片分为两组，两组所述压电陶瓷片分别电性连接所述驱动电源的相应输出端，同一外边上的两所述压电陶瓷片分别位于不同的组内，且相邻的两所述压电陶瓷片也分别位于不同的组内。
2.根据权利要求1所述的一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，其特征在于：所述驱动电源具有两路独立的驱动信号，且所述驱动电源的相应输出端为信号输出端，两所述驱动信号分别与两所述信号输出端一一对应电性连接，且两所述驱动信号均为方波驱动信号或正弦驱动信号，两所述驱动信号的相位差为π/2。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，其特征在于：各所述压电陶瓷片均沿厚度方向极化，各所述压电陶瓷片的极化方式为d31。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，其特征在于：所述外壳包括壳体和安装于所述壳体上的定子安装座，所述壳体和所述定子安装座安装后的内部形成有一个安装腔，所述多边框形弹性体安装于所述定子安装座上，且所述多边框形弹性体位于所述安装腔内。
5.根据权利要求4所述的一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，其特征在于：所述定子安装座和所述壳体上分别安装有轴承，两所述轴承分设于所述多边框形弹性体的两侧，所述转子的两端分别穿设于所述轴承内。
6.根据权利要求1所述的一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，其特征在于：各所述驱动足均呈半圆柱体状。
7.根据权利要求1所述的一种利用弯曲振动模态多足驱动的旋转超声电机，其特征在于：各所述压电陶瓷片均为方形片。
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