CN112542959A - 一种单相激励双向运动的微型超声电机及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单相激励双向运动的微型超声电机及方法，该电机包括定子、与定子连接的动子和安装定子与动子的基体，所述的定子包括对称分布的两个压电叠堆陶瓷和驱动足，所述的动子的双向运动通过分别激发定子的两个压电叠堆陶瓷使驱动足产生斜椭圆运动来实现；所述的定子利用高能量密度的d33压电叠堆激发其高频微幅振动，通过给一侧的压电叠堆陶瓷施加电压信号来激发电机定子驱动足的法向和切向模态，从而形成斜椭圆运动轨迹，通过切换电机的驱动电极来实现双向运动。与现有技术相比，本发明具有结构简单、尺寸小易于微型化、能量密度高等优点。

Description

一种单相激励双向运动的微型超声电机及方法
技术领域
本发明涉及压电超声电机领域，尤其是涉及一种单相激励双向运动的微型超声电机及方法。
背景技术
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，让定子在超声频段内发生微幅振动，然后通过定子与动子之间的摩擦作用获得运动和力矩。它具有结构简单、易于微型化、能量密度高，无磁场干扰、响应速度快等诸多优点。而且经过多年的研究已经在诸多领域中具有广泛的应用。
现有的超声电机主要以双相激励为主，它需要同时激励出两个频率接近的正交工作模态，需要电机结构进行专门的设计，增大了结构设计的难度。此外，两相激励信号，增加了驱动电路设计的复杂性。
单相驱动的超声电机相对于两相驱动，发展较晚，到目前为止一些单相激励的超声电机主要存在以下问题，仅能实现单向运动，如果实现两向运动需要两个定子结构，增大了电机的体积，不利于微型化。此外，目前的单相电机由于两向工作频率不一致，还存在着正反两向运动性能不同的问题。
经过检索中国专利公开号CN208939845U公开了一种基于多阶振动合成的直线超声电机，具体公开了包括定子、动子及由多片压电陶瓷叠放形成的第一压电陶瓷叠层、第二压电陶瓷叠层、第三压电陶瓷叠层，但是这种结构虽然缩小了电机的体积，但是存在不易实现双向运动，而且正反两向性能存在不一致的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种单相激励双向运动的微型超声电机及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种单相激励双向运动的微型超声电机，包括定子、与定子连接的动子和安装定子与动子的基体，所述的定子包括对称分布的两个压电叠堆陶瓷和驱动足，所述的动子的双向运动通过分别激发定子的两个压电叠堆陶瓷使驱动足产生斜椭圆运动来实现；
所述的定子利用高能量密度的d33压电叠堆激发其高频微幅振动，通过给一侧的压电叠堆陶瓷施加电压信号来激发电机驱动足的一阶弯振模态，从而形成斜椭圆运动轨迹，通过切换电机的驱动电极来实现双向运动。
作为优选的技术方案，所述的定子包括压电叠堆陶瓷左、压电叠堆陶瓷右、中心梁、基体框架和驱动足，所述的中心梁设在基体框架的孔内，所述的压电叠堆陶瓷左和压电叠堆陶瓷右的两侧分别连接与中心梁和基体框架，所述的驱动足设于基体框架上。
作为优选的技术方案，所述的基体框架为带方孔的对称型结构。
作为优选的技术方案，所述的中心梁设于基体框架的中心线上。
作为优选的技术方案，所述的压电叠堆陶瓷左和压电叠堆陶瓷右等高布置且对称分布。
作为优选的技术方案，所述的驱动足设于基体框架上中心线的顶部。
作为优选的技术方案，所述的基体包括预紧弹簧、调节螺栓、U型夹具、底座和滑轨机构，所述的预紧弹簧通过滑轨机构连接动子，所述的U型夹具的一端连接动子，另一端通过调节螺栓夹持定子。
作为优选的技术方案，所述的动子为滑块。
作为优选的技术方案，所述的动子是可为绕一固定转轴旋转的转子。
根据本发明的另一个方面，提供了一种采用所述的单相激励双向运动的微型超声电机的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、拉伸预紧弹簧，预紧弹簧通过滑轨机构使电机定子与动子接触，此时弹簧力转换为定子与动子之间的预压力；
步骤2、当确定预紧弹簧的位置后拧紧定位螺栓即可完成预压力的施加；
步骤3、U型夹具通过调节螺栓与定子连接，通过调节螺栓来调整两端夹持力的大小，确定好后拧紧两侧的调节螺栓来完成定子的夹持和定位；
步骤4、给压电叠堆陶瓷左输入正弦电压信号，利用压电陶瓷的d33效应，同时激发出定子的一阶弯振模态，从而使驱动足形成斜椭圆逆时针旋转；
步骤5、定子与动子接触面上的质点产生斜椭圆轨迹，通过两者之间的摩擦作用来推动动子向左直线运动；
步骤6、切换正弦电压信号给压电叠堆陶瓷右，驱动足形成斜椭圆顺时针旋转，此时动子向右直线运动。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明解决了目前单相超声电机不易实现双向运动，而且正反两向性能存在不一致的问题，通过单相激励激发定子的一阶弯振模态，使得动子与定子接触面上驱动足的质点产生斜椭圆轨迹，推动动子运动，而电机的双向运动只需要一相激励信号，简化了驱动电路。
2、本发明的单相激励双向运动直线超声电机利用d33逆压电效应进行驱动，电机的驱动能量密度高，尺寸小，输出推力高，且可实现进一步的微型化。
附图说明
图1为本发明的电机定子结构示意图；
图2为本发明的电机结构示意图；
图3为本发明电机定子/动子运动原理示意图。
其中1为定子，2为动子，3为基体，11为压电叠堆陶瓷左，12为压电叠堆陶瓷右，13为中心梁，14为基体框架，15为驱动足，31为预紧弹簧，32为调节螺栓，33为U型夹具，34为底座，35为滑轨机构，36为定位螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明的原理：
利用压电陶瓷的d33效应，当给定子上一侧的压电叠堆陶瓷输入正弦电压信号，即可激发出定子高频微幅振动，即一阶弯振模态，从而使驱动足形成斜椭圆运动。
如图3所示，定子1与动子2接触面上的驱动足15质点产生斜椭圆轨迹，通过两者之间的摩擦作用来推动动子2作直线运动。所述的超声电机在激发压电叠堆陶瓷左11时运动轨迹为逆时针旋转，此时动子2向左运动；当激发压电叠堆陶瓷右12时运动轨迹为顺时针旋转，此时动子2向右运动。
该超声电机采用带方孔的对称型结构作为定子部分，并在其中心梁两侧黏结沿厚度极化的压电叠堆陶瓷，通过给一侧的压电叠堆陶瓷施加正弦电压信号来激发定子的一阶弯振模态，从而使驱动足形成斜椭圆运动轨迹，通过摩擦作用来推动动子产生直线运动。而动子的双向运动将通过切换激发两侧的压电叠堆陶瓷来实现。
本发明单相激励双向运动的微型超声电机，包括定子1、与定子1连接的动子2和安装定子1与动子2的基体3，所述的定子1包括对称分布的两个压电叠堆陶瓷，动子2的双向运动通过分别激发两个压电叠堆陶瓷来实现。
所述的定子1利用高能量密度的d33压电叠堆，通过给一侧的压电叠堆陶瓷施加电压信号来激发电机定子的一阶弯振模态，从而形成斜椭圆运动轨迹，通过切换电机的驱动电极来实现双向运动。
如图1所示，所述的定子1包括压电叠堆陶瓷左11、压电叠堆陶瓷右12、中心梁13、基体框架14和驱动足15，所述的基体框架14为带方孔的对称型结构，所述的中心梁13设于基体框架14的中心线上，所述的压电叠堆陶瓷左11和压电叠堆陶瓷右12等高布置且对称分布，所述的压电叠堆陶瓷左11和压电叠堆陶瓷右12的两侧分别连接与中心梁13和基体框架14，所述的驱动足15设于基体框架14上中心线的顶部。
如图2所示，所述的基体3包括预紧弹簧31、调节螺栓32、U型夹具33、底座34和滑轨机构35，所述的预紧弹簧31通过滑轨机构35连接动子2，所述的U型夹具33的一端连接动子2，另一端通过调节螺栓32夹持定子1。
所述的动子2为滑块。或者所述的动子2为可为绕一固定转轴旋转的转子。
实施例2
本发明采用所述的单相激励双向运动的微型超声电机的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、拉伸预紧弹簧31，预紧弹簧31通过滑轨机构35使电机定子1与动子2接触，此时弹簧力转换为定子1与动子2之间的预压力，
步骤2、当确定预紧弹簧31的位置后拧紧定位螺栓36即可完成预压力的施加；
步骤3、U型夹具33通过调节螺栓32与定子1连接，通过调节螺栓32来调整两端夹持力的大小，确定好后拧紧两侧的调节螺栓32来完成定子1的夹持和定位；
步骤4、给压电叠堆陶瓷左11输入正弦电压信号，利用压电陶瓷的d33效应，激发出电机定子1的一阶弯振模态，从而使驱动足15形成斜椭圆逆时针旋转；
步骤5、定子1与动子2接触面上的驱动足15质点产生斜椭圆轨迹，通过两者之间的摩擦作用来推动动子2向左直线运动；
步骤6、切换正弦电压信号给压电叠堆陶瓷右12，驱动足15形成斜椭圆顺时针旋转，此时动子2向右直线运动。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单相激励双向运动的微型超声电机，包括定子(1)、与定子(1)连接的动子(2)和安装定子(1)与动子(2)的基体(3)，其特征在于，所述的定子(1)包括对称分布的两个压电叠堆陶瓷和驱动足(15)，所述的动子(2)的双向运动通过分别激发定子的两个压电叠堆陶瓷使驱动足产生斜椭圆运动来实现；
所述的定子(1)利用高能量密度的d33压电叠堆激发其高频微幅振动，通过给一侧的压电叠堆陶瓷施加电压信号来激发电机驱动足(15)的一阶弯振模态，从而形成斜椭圆运动轨迹，通过切换电机的驱动电极来实现双向运动。
2.根据权利要求1所述的一种单相激励双向运动的微型超声电机，其特征在于，所述的定子(1)还包括压电叠堆陶瓷左(11)、压电叠堆陶瓷右(12)、中心梁(13)和基体框架(14)，所述的中心梁(13)设在基体框架(14)的孔内，所述的压电叠堆陶瓷左(11)和压电叠堆陶瓷右(12)的两侧分别连接与中心梁(13)和基体框架(14)，所述的驱动足(15)设于基体框架(14)上。
3.根据权利要求2所述的一种单相激励双向运动的微型超声电机，其特征在于，所述的基体框架(14)为带方孔的对称型结构。
4.根据权利要求3所述的一种单相激励双向运动的微型超声电机，其特征在于，所述的中心梁(13)设于基体框架(14)的中心线上。
5.根据权利要求3所述的一种单相激励双向运动的微型超声电机，其特征在于，所述的压电叠堆陶瓷左(11)和压电叠堆陶瓷右(12)等高布置且对称分布。
6.根据权利要求3所述的一种单相激励双向运动的微型超声电机，其特征在于，所述的驱动足(15)设于基体框架(14)上中心线的顶部。
7.根据权利要求2所述的一种单相激励双向运动的微型超声电机，其特征在于，所述的基体(3)包括预紧弹簧(31)、调节螺栓(32)、U型夹具(33)、底座(34)和滑轨机构(35)，所述的预紧弹簧(31)通过滑轨机构(35)连接动子(2)，所述的U型夹具(33)的一端连接动子(2)，另一端通过调节螺栓(32)夹持定子(1)。
8.根据权利要求7所述的一种单相激励双向运动的微型超声电机，其特征在于，所述的动子(2)为滑块。
9.根据权利要求1所述的一种单相激励双向运动的微型超声电机，其特征在于，所述的动子(2)是可为绕一固定转轴旋转的转子。
10.一种采用权利要求7所述的单相激励双向运动的微型超声电机的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、拉伸预紧弹簧(31)，预紧弹簧(31)通过滑轨机构(35)使电机定子(1)与动子(2)接触，此时弹簧力转换为定子(1)与动子(2)之间的预压力；
步骤2、当确定预紧弹簧(31)的位置后拧紧定位螺栓(36)即可完成预压力的施加；
步骤3、U型夹具(33)通过调节螺栓(32)与定子(1)连接，通过调节螺栓(32)来调整两端夹持力的大小，确定好后拧紧两侧的调节螺栓(32)来完成定子(1)的夹持和定位；
步骤4、给压电叠堆陶瓷左(11)输入正弦电压信号，利用压电陶瓷的d33效应，激发出定子(1)的一阶弯振，从而使驱动足(15)形成斜椭圆逆时针旋转；
步骤5、定子(1)与动子(2)接触面上的质点产生斜椭圆轨迹，通过两者之间的摩擦作用来推动动子(2)向左直线运动；
步骤6、切换正弦电压信号给压电叠堆陶瓷右(12)，驱动足(15)形成斜椭圆顺时针旋转，此时动子(2)向右直线运动。
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