CN200959578Y - 驻波旋转压电马达 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种驻波旋转压电马达，其采用对称的菱形或长方形振子结构，并用弹性圆环的预紧形式，通过驻波方式驱动。振子由压电陶瓷和金属片构成。弹性圆环与振子的径向预紧有两种形式：弹性锥面圆环预紧，即弹性圆环的内圆是锥面，振子的振动头部也是锥面；弹性柱面圆环预紧，即弹性圆环的内圆是柱面，振子的振动头部也是柱面，此时弹性圆环的内径稍小于振子的最大直径。多个振子叠加串联，振子由保持架的夹条于振子的侧边夹固，当振子作为转子时，保持架的轴伸上连接有导电刷。本实用新型通过弹性圆环的形式使预紧和转动输出方式合二为一，增大输出功率，响应速度远高于行波方式的旋转压电马达，可以获得极高的旋转精度。

Description

驻波旋转压电马达

技术领域

本实用新型涉及一种微型电机，特别涉及一种新型高效的驻波旋转压电马达。

背景技术

压电马达的工作原理已广为人知。它利用压电材料激励振子，产生运动轨迹为椭圆或退化椭圆的微小机械振动；借助摩擦作用将此振动转化为直线或旋转运动来获得输出力或力矩。当振动频率高于20kHz时，即超声波频段时，压电马达也可称为超声波马达。

压电马达可按驱动方式分为驻波型、行波型；按运动形式分为直线型、旋转型等。

通常直线压电马达由振子、预紧弹簧、导轨及周边夹持部件等组成。多数直线压电马达是驻波驱动的，其工作原理通常是振子受激励作驻波振动，在振子特定的运动输出部位形成椭圆运动，这些部位与导轨摩擦，产生导轨的直线运动输出；或相反地，固定导轨而获得振子的相对直线运动。振子(或振动部分)的形状(如棒型，扁平长方形，正交臂型等)，压电陶瓷的种类(如单片，多层等)的选择多种多样；直线驻波马达能够比较容易地进行直接的叠加、组合，以获得更大的功率和输出力。

旋转压电马达常采用行波驱动的定子(振子)与转子的摩擦来获得力矩输出。旋转行波压电马达通常有以一定大小的轴向预紧力压在一起的转子和定子，定子上贴有激励行波的压电陶瓷片。为放大振幅，定子在与转子接触的部分常加工出齿状突起。马达对结构尺寸精度要求较高。在串联若干个旋转行波压电马达以获得更大输出力矩时，由于行波振子共振频率对预紧力的敏感，使得多组转子的同步困难，难以获得输出的高效叠加。

专利EP 0 633 611 A2的直线压电马达，其长方形振子的一端带有柱状陶瓷垫，预紧弹簧压在与柱状陶瓷垫相对的另一端。但是，尽管长方形振子的振动是完全对称的，也就是说，预紧弹簧接触端的运动与柱状陶瓷垫一端的振动是中心对称的，但由于振子的振动能量只通过柱状陶瓷垫一端输出，这样，振动能量只利用到了一半。

驱动电路方面，由于行波压电马达需要在两组不同相位的电信号共同激励而在振动体上产生行波，而驻波压电马达只需要一组激励。因此驻波马达的电路相对简单。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供一种驻波旋转压电马达。交变激励电源加载于压电陶瓷上时，压电陶瓷的周期形变使振子产生共振，在振子与弹性圆环接触的部位形成微小的椭圆运动，在弹性形变圆环的回复力所引起的摩擦力作用下，振子和弹性圆环产生相对转动，若要改变输出的旋转运动方向，只需切换激励电源所加载的压电陶瓷电极的组别。

一种驻波旋转压电马达，包括外壳、振子、弹性圆环，由压电陶瓷和金属片构成的振子。其预紧结构采用弹性圆环，弹性圆环与振子的径向预紧有两种形式：

a)弹性锥面圆环预紧，即弹性圆环的内圆是锥面，振子的振动头部也是锥面；

b)弹性柱面圆环预紧，即弹性圆环的内圆是柱面，振子的振动头部也是柱面，此时弹性圆环的内径稍小于振子的最大直径。

所述的振子可为近似棱形、长方形和正多边形。

所述近似棱形的振子，中间一层为金属片，上、下粘结有压电陶瓷片，上、下压电陶瓷片分隔为对应的四个区域，四个区域的对角线区域两两电极连接，分成两组。

所述长方形的振子，中间一层为金属片，上、下粘结有压电陶瓷片，上、下压电陶瓷片分隔为对应的四个区域，四个区域的对角线区域两两电极连接，分成两组。

所述正多边形振子，可以是正方形的振子，振动部分为正交臂形，四对正交臂左右两端粘结多层层叠的压电陶瓷片，四对正交臂的位于一侧，左侧或右侧的陶瓷片电极连接，分为两组。

采用弹性圆环预紧的振子，可以多个叠加串联起来，增大输出功率。多个振子轴向叠加时，振子的上下端各有一块带有向外轴伸的夹板，振子的侧边用夹条夹固，夹板与夹条紧固连接成为叠加振子的保持架结构。当振子作为转子时，振子的转动通过保持架夹板上的轴伸传递出去，同时保持架另一侧的轴伸上带有导电刷，以便给各个叠加振子的压电陶瓷片供电。

如果采用柱面圆环预紧，所述的外壳与柱面弹性圆环之间有橡胶环。

本实用新型的优越功效在于：

1)通过预紧圆环的形式使定子与转子之间的预紧和转动输出方式合二为一。

预紧圆环是一对带有锥面的弹性圆环，振子具有与圆环锥面匹配的锥面突起部分，两个预紧圆环锥面相对相互轴向压紧时，圆环锥面挤压到振子的突起锥面部分而产生弹性变形，变形引起的回复力的轴向分力相互抵消，径向分力提供了弹性圆环与振子摩擦所需的压力，即为锥面预紧，轴向分力抵消。

预紧圆环也可以是一个内径稍小于振子最大直径的弹性柱面圆环，相应地，振子的振动端面也是柱面，此时赖以产生摩擦的预紧力由柱面圆环被振子支撑导致的弹性变形产生的回复力提供，即为柱面预紧。

振子有两端双输出或多输出，这样驻波振子的振动能量被充分利用。

振子为扁平状，形状近似菱形，也可以是长方形。振子尺寸结构被设计成在一特定固有频率下，具有两个不同模态。这两个模态的运动在输出端质点上的运动是正交的。受到激励共振时，能在两个端部分别形成中心对称的微小椭圆运动。由于采用圆环预紧，不需独立的预紧弹簧，振子两端的振动都被用以输出动力，因而这样的振子形状使得振子振动能量利用两倍于同样条件下单端振动输出的压电马达。因为单端振动输出的压电马达的另一端用于放置预紧弹簧，如专利EP 0 633 611 A2涉及的压电马达。

振子分为三层，中间为钢质基板，两面粘贴陶瓷片，压电陶瓷片被分为四个区域，工作时，振子的振动由受交变电源激励的压电陶瓷产生。压电陶瓷上四个区域的电极按对角线方向被分为两组，每次只有一组被加载驱动电源，每一组分别实现正向的或者反向的运动。

振子可以是正方形，带有多正交臂振子。此时可以采用多层层叠压电陶瓷片。压电陶瓷片同样被分为两组分别激励正向或反向运动。其中一组受激励时，振子与弹性圆环所有接触部位都形成同向的椭圆运动。

可以设置振子为定子，弹性圆环为转子，反之也可以。设置振子为转子时，需要采用导电刷不间断地提供激励电源。

通过对多个振子以及预紧圆环的轴向叠加组合可以使马达获得大功率的输出。串联时，多组预紧圆环被轴向压紧，但这是与预紧变形是独立的，因此便于串联叠加。

振子的夹持固定方式是在振子的振动节点支撑，这能减小对振子共振振幅的影响。对单个面积较大的振子可以用穿过其中心的轴来支撑。对比较细长的菱形振子或长方形振子可以在侧面的振动节点支撑。

激励电源的工作频率与振子产生椭圆运动共振的频率一致。2)响应速度远高于行波方式的旋转压电马达，可以获得极高的旋转精度。

行波旋转马达启动时两路激励在定子上分别激励出的驻波振动，需要一定时间才能在整个定子上叠加形成行波；并且此行波需要到达一定振幅才能驱动定子，而驻波马达受激励后即能产生运动输出，因而具有更高的响应速度和更高的分辨率。

附图说明

图1(包括1A、1B)为本实用新型的结构；

图2(包括2A、2B、2C)为本实用新型的振子的结构分解图；

图3(包括3A、3B、3C)为振子振动模态以及顺时针或逆时针椭圆运动的形成示意图；

图4为正交臂型振子的结构示意图；

图5(包括5A、5B、5C)为正交臂型振子振动模态以及顺时针或逆时针椭圆运动的形成示意图；

图6(包括6A、6B、6C、6D)为弹性锥面圆环预紧结构和分解图；

图7(包括7A、7B、7C、7D)为弹性柱面圆环预紧结构和分解图；

图8(包括8A、8B)为两种预紧方式驻波旋转压电马达装配结构图；

图9(包括9A、9B)为多个振子串联叠加的装配结构图；

图10(包括10A、10B)为多个振子串联叠加的夹持结构。

附图标号说明

1-弹性锥面圆环；                  2-振子；

3-压电陶瓷片；

31-四个区域之一；                 32--四个区域之一；

33--四个区域之一；                34--四个区域之一；

4-弹性柱面圆环；                  5-金属片；

6-长方形压电陶瓷片；

61-四个区域之一；                 62--四个区域之一；

63--四个区域之一；                64--四个区域之一；

7-正交臂形振子；

8-多层层叠压电陶瓷片；            9-电极；

10-电极                           11-振动头；

15-弯曲模态的节点；               16-弯曲模态的节点；

17-弯曲模态的节点；               18-弯曲模态的节点；

19-轴承；                         20-轴伸；

21-外壳；                         22-基座；

23-橡胶环；                       24-导电刷；

25-夹条；                         26-夹板；

27-保持架。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细的阐述，请参阅附图1A为本实用新型的结构示意图，附图1B为图1A的剖视图，一种驻波旋转压电马达，包括外壳21、振子2、弹性圆环，由压电陶瓷片3和金属片5构成的振子2，其预紧结构采用弹性圆环，弹性圆环与振子2的径向预紧有两种形式：

a)弹性锥面圆环1预紧，即弹性圆环的内圆是锥面，振子2的振动头11部也是锥面，如附图1B所示；

b)弹性柱面圆环4预紧，即弹性圆环的内圆是柱面，振子2的振动头11部也是柱面，此时弹性柱面圆环4的内径稍小于振子2的最大直径。

请参阅附图2A、2B、2C所示，所述的振子2可为近似棱形、长方形和正多边形。

所述近似棱形的振子2，中间一层为金属片5，上、下粘结有压电陶瓷片3，上、下压电陶瓷片3分隔为对应的四个区域，四个区域被对称地分为四个区域31、32、33、34，四个区域的对角线区域两两电极连接。振子2的振动头11部为锥面，如图2A所示；振子2的振动头11部为柱面，如图2B所示。

如图2C所示，长方形的振子2，中间一层为金属片5，上、下粘结有长方形的压电陶瓷片6，上、下压电陶瓷片6分隔为对应的四个区域，四个区域被对称地分为四个区域61、62、63、64，四个区域的对角线区域两两电性连接，振子2的振动头11部为柱面。

如图3A所示，近似棱形的振子2位于弹性锥面圆环1的轴线上，近似棱形的振子2上下端部各有两只突起的振动头11，振动头11部的锥面形状与弹性锥面圆环1内表面的形状相适应，以便产生预紧力。近似棱形的振子2上下表面分别贴有压电陶瓷片3，并被极化为31、32、33、34四个部分，对角区域32、33通过电极9两两相联，对角区域31、34通过电极10两两相联。近似棱形的振子2尺寸结构被设计成在一特定频率下具有两个不同振动模态。当近似棱形的振子2的位于对角位置的一对区域，例如32和33以交变电压9以特定频率激励时，一个产生X方向和一个产生Y方向微小位移的振动模态将同时出现，这两个方向的微小位移合成了近似棱形的振子2两端的椭圆运动。近似棱形的振子2两端的椭圆运动方向是一致的，如图3B所示。当另一对区域31和34被交变电压10激励时，近似棱形的振子2两端将产生顺时针方向的微小椭圆运动。如图3C所示。

如图4所示，所述正方形的振子2为正交臂形振子7，四只正交臂两端粘结多层层叠的压电陶瓷片8，四只正交臂的单侧陶瓷片通过两组电极9、10的交变电压驱动，四只正交臂由于X、Y轴方向的振动在端部形成微小椭圆运动，如图5A所示。

采用多层层叠的压电陶瓷片8的正交臂形振子7具有多个与弹性柱面圆环4相接触的部分，其每个振动部分是两段正交的柱状。它们有两个频率一致的振动模态，其中一个为纵向伸缩模态，一个为横向摆动模态。这两个模态的振动合成正交臂形振子7与弹性柱面圆环4的接触部分的椭圆运动。当交变电压9加载于处于每个振动部分左侧的一组压电陶瓷片8时，正交臂形振子7顺时针转动，如图5C所示；当交变电压10加载于另一组压电陶瓷片8时，正交臂形振子7逆时针转动，如图5B所示。

本实用新型的弹性圆环与振子2的径向预紧有两种形式：

a)弹性锥面圆环1预紧，即弹性圆环的内圆是锥面，振子2的振动头11部也是锥面。

振子2为近似菱形的扁平状实体，振子2与弹性锥面圆环1的接触部分是锥面。弹性锥面圆环1与振子2上的锥面的角度可以并不相等，而是成一定夹角，这是为了在弹性锥面圆环1的锥面变形后正好能与振子2的锥面紧密地接触。每个弹性锥面圆环1与振子2的接触部分至少具有一个锥面。一对弹性锥面圆环1镜像对称放置，被压紧在一起时，这一对弹性锥面圆环1的两个锥面将与振子2的锥面部分紧密接触，其形变产生的回复力作用于振子2上，提供产生摩擦力的正压力，调节两斜面的压紧程度或距离可以获得所需大小的预紧力。

如图6A为弹性锥面圆环1预紧，图6B为图6A的A-A向的视图，从图6B中可见，振子2与弹性锥面圆环1的接触部分是锥面。图6C为剖视图，图6D为图6C的局部放大图，从图6D中清楚地显示振子2的振动头11部呈锥面，弹性锥面圆环1的内圆也呈锥面。

b)弹性柱面圆环4预紧，即弹性圆环的内圆是柱面，振子2的振动头11部也是柱面，此时弹性柱面圆环4的内径稍小于振子2的最大直径，此时赖以产生摩擦的预紧力由弹性柱面圆环4被振子2支撑导致的弹性变形产生的回复力提供。

如图7A为弹性柱面圆环4预紧，图7B为图7A的A-A向的视图，从图7B中可见，振子2与弹性柱面圆环4的接触部分是柱面。图7C为剖视图，图7D为图7C的局部放大图，从图7D中清楚地显示振子2的振动头11部呈柱面，弹性柱面圆环4的内圆也呈柱面，并且弹性柱面圆环4的内径稍小于振子2的最大直径。

图8(包括8A、8B)为本实用新型两种预紧方式的装配示意图。

振子2被激励时，振子2与弹性锥面圆环1之间产生的相对运动输出成旋转运动，转动力矩可以由振子2通过与振子2固联的轴20输出。此时振子即转子；或者由弹性锥面圆环1输出，此时振子为定子，如图8A所示。轴承19使弹性锥面圆环1的轴线与振子2的轴线重合，这样振子在工作时将被准确地约束在弹性圆环的直径位置。

弹性圆环也可以是一个直径略小于振子2的柱面圆环4，如图8B所示。此时振子2的振动头11部相应地也是圆柱面。振子2被压入弹性柱面圆环4后，弹性柱面圆环4变形呈椭圆形，形变产生的回复力提供了对振子2的正压力。橡胶环23被粘在外壳21与弹性柱面圆环4之间，使变形后的弹性柱面圆环4中心轴线与振子2的轴线保持重合，并且橡胶材料的大阻尼能避免弹性柱面圆环4受激共振，影响振子2与弹性柱面圆环4的接触。

图9(包括9A、9B)为多个振子串联叠加的两种预紧方式的装配示意图。

当振子2为转子时，因为振子2与轴20一起转动，交变激励电压需要通过与轴20固联的导电刷24传输到振子2的电极之上。如图9A所示，多个振子2叠加串联起来，振子2的振动头11部呈锥面，弹性锥面圆环1的内圆也呈锥面。如图9B所示，多个振子2叠加串联起来，振子2的振动头11部呈柱面，弹性柱面圆环1的内圆也呈柱面。

采用弹性圆环预紧的振子2，可以多个叠加串联起来，增大输出功率。如振子2作为定子的形式：多个振子2叠加轴向串连起来，上下各有两个带轴伸20的夹板26，振子2的侧边用夹条25夹固，夹板26与夹条25紧固连接，形成保持架27结构，如图10A所示；当振子2作为转子时，振子的转动通过与之固连的保持架27输出。一侧轴伸20上连接有导电刷24。振子2同样由保持架夹固，如图10B所示。无论振子作为转子还是定子，振子2中心保持与弹性圆环的轴线重合，夹条25的夹持位置在振子2的弯曲模态的节点15、16、17、18处。当振子较宽，如正交臂形振子7时，则可以直接采用一个紧配的轴来支撑。

Claims (7)

1、一种驻波旋转压电马达，包括外壳、振子、弹性圆环，其特征在于：由压电陶瓷和金属片构成的振子，其预紧结构采用弹性圆环，弹性圆环与振子的径向预紧有两种形式：

a)弹性锥面圆环预紧，即弹性圆环的内圆是锥面，振子的振动头部也是锥面；

b)弹性柱面圆环预紧，即弹性圆环的内圆是柱面，振子的振动头部也是柱面，此时弹性圆环的内径稍小于振子的最大直径。

2、根据权利要求1所述的一种驻波旋转压电马达，其特征在于：所述的振子可为近似棱形、长方形、多边形。

3、根据权利要求2所述的一种驻波旋转压电马达，其特征在于：所述近似棱形的振子，中间一层为金属片，上、下粘结有压电陶瓷片，上、下压电陶瓷片分隔为对应的四个区域，四个区域的对角线区域两两电极连接。

4、根据权利要求2所述的一种驻波旋转压电马达，其特征在于：所述长方形的振子，中间一层为金属片，上、下粘结有压电陶瓷片，上、下压电陶瓷片分隔为对应的四个区域，四个区域的对角线区域两两电性连接。

5、根据权利要求2所述的一种驻波旋转压电马达，其特征在于：所述多边形的振子可以是正方形，为正交臂形，四只正交臂两端粘结多层层叠的压电陶瓷片，四只正交臂的单侧陶瓷片电极连接，分为两组。

6、根据权利要求1所述的一种驻波旋转压电马达，其特征在于：采用弹性圆环预紧的振子，可以多个叠加串联起来，增大输出功率，串联时振子的叠加，通过保持架紧固，保持架夹条的夹紧位置，位于振子振动模态的节点处，当振子作为转子时，保持架轴伸上连接有导电刷。

7、根据权利要求1所述的一种驻波旋转压电马达，其特征在于：所述的外壳与弹性柱面圆环之间有橡胶环。

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