单相激励型面内振动超声电机及其单相激励方法与流程

本发明属于超声电机领域，具体涉及一种新型面内振动超声电机及其单相激励方法。

背景技术：

由于面内振动型超声电机具有结构紧凑、易于加工、成本低、模态激励简单、易于微型化和能量密度大等特点，在精密驱动和半导体工业等领域均已得到了广泛应用。但面内振动型电机大多为矩形板结构的直线型电机，其中，最典型的面内振动型超声电机是nanomotion公司研制的纵弯复合型电机。截止到目前为止，纵弯复合型电机已成功应用于精密驱动平台上。中国发明专利，申请号：200410101574.4也曾提出构造面内振动型直线电机的方法。但这些电机的板状构型方式和直线驱动模式，使得其在某些场合下，不能满足实际的应用需求。此外，为形成定子驱动面质点沿两个相互垂直方向的振动，进而叠加成驱动动子的椭圆运动，超声电机多采用两相相位差为90°的电压激励，使得电机的驱动控制电路复杂，不易于电机的微型化和集成化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于研制一种结构简单、能量密度大，并具有简化驱动电路功能的单相激励型面内振动超声旋转电机，以满足各种装置小型化和精密化的应用要求。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种单相激励型面内振动超声电机，包括定子、转子，所述定子为中空、对称结构，由多边形金属基体和至少两片粘贴在所述多边形金属基体的外表面上的压电陶瓷片复合而成；所述压电陶瓷片表面镀有沿厚度方向均匀分布的电极，并沿厚度方向极化；所述定子工作在共振状态，其工作模态为两个在空间上有一定夹角的二阶面内弯曲振动模态。

优选的是，所述转子贯穿于中空定子及定子的匹配端，并通过预压力机构将转子压紧在定子驱动表面；所述定子驱动转子旋转，电机的运动和力矩通过输出轴输出，输出轴贯穿整个定子。

优选的是，所述预压力机构包括两组蝶形弹簧和卡箍，所述转子的上下轴向面各设有一个穿插在输出轴中的碟形弹簧，每一个碟形弹簧又通过紧固在输出轴上的卡箍实现压紧转子。

优选的是，粘贴在定子基体外表面上的压电陶瓷片为两片或四片。

优选的是，所述定子的驱动表面为平面或者锥面。

优选的是，所述定子驱动表面上开有退屑槽。

优选的是，所述定子或转子上附着有摩擦材料；或者，定子和转子上同时附着有不同的摩擦材料，构成摩擦副。

一种单相激励型面内振动超声电机，包括定子、转子，所述定子为中空、对称结构，由多边形金属基体和至少两片粘贴在所述多边形金属基体的外表面上的压电薄膜复合而成；所述压电薄膜表面镀有沿厚度方向均匀分布的电极；所述定子工作在共振状态，其工作模态为两个在空间上有一定夹角的二阶面内弯曲振动模态。

一种单相激励型面内振动超声电机的激励方法，电机设置为单相电压激励，定子组件一侧的压电陶瓷片经过矩形板电极输入一相驱动电压信号，激发出压电陶瓷片的变形，进而同时激励出定子正常工作所需的两二阶面内弯曲振动模态；定子组件另一侧的压电陶瓷片悬空，以调节两二阶面内弯曲振动模态共振频率之间的频率差，或实时监测电机的运行状况，实现能量转换；两弯曲振动模态下，定子沿两个方向弯曲振动的叠加形成了定子驱动面质点的椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动转子旋转。

优选的是，通过在不同压电陶瓷片上施加激励电压改变电机的旋转方向。

本发明有益效果：

本发明提出了一种单相激励型面内振动超声电机，并具体提出了通过改变定子基体外表面上所粘贴的压电陶瓷片的位置和个数等方式来改变定子体两二阶面内弯曲模态下的振动方向，进而实现电机的单相激励特性。

该电机与纵弯复合型面内振动电机相比主要有以下区别：首先，本发明中的电机采用单相电场激励的方式，主要通过改变定子基体外表面上所粘贴的压电陶瓷片的位置和个数等方式来改变定子体两二阶面内弯曲模态下的振动方向，使得某一个或某一部分的压电陶瓷片与定子体两二阶面内弯曲模态下的振动方向均有一定的夹角，进而利用单个或部分压电陶瓷片的变形实现电机的单相激励特性，是一种超声电机的新的单相激励方法。该单相激励方法进一步简化了电机的结构，易于实现电机系统的微型化和集成化；其次，电机所产生的效果不同，本发明中的电机还根据压电陶瓷的压电效应，增加了电机运行状况的实时监控功能，以及定子两二阶面内弯曲模态共振频率的频率调节功能。总之，与以往的压电微电机相比，该电机的技术进步是显而易见的。

具体地，该电机采用贴片式定子，使得电机结构得到简化。定子由金属基体和压电陶瓷片组合而成。原理上，由于某一个或某一部分的压电陶瓷片与定子体两二阶面内弯曲模态下的振动方向均有一定的夹角，进而可依据某一个或某一部分的压电陶瓷片的变形而同时激励出定子的两工作模态。结构上，定子结构多样，并不局限于一种多边形结构，只要压电单元的单个变形能够同时激励出定子的两个二阶面内弯曲振动模态均可。

因此，该电机具有厚度薄、预压力机构简单、压电陶瓷易加工、成本低、可控性好、输出位移大、驱动电压低、易于实现整机微型化等特点，特别适合于薄型化和微型化的特殊使用场合，如：生物、医疗、微机械、自动控制、光学镜头、机器人和航空航天国防科技等领域。

附图说明

图1为包含两片压电陶瓷片的单相激励型面内振动超声电机的中空定子的结构示意图；

图2为包含四片压电陶瓷片的单相激励型面内振动超声电机的中空定子的结构示意图；

图3为以图1的定子结构为例的定子的单相激励原理图，其中，虚线所示为定子在两二阶面内弯曲模态下的振动方向；

图4为定子两二阶面内弯曲振动模态图ⅰ；

图5为定子两二阶面内弯曲振动模态图ⅱ；

图6为电机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一：

单相激励型面内振动超声电机包括定子、转子2和预压力机构，转子2贯穿于中空定子及定子的匹配端7，并通过预压力机构将转子2压紧在定子驱动表面；定子驱动转子2旋转，电机的运动和力矩通过输出轴4输出，输出轴4贯穿整个定子1。预压力机构包括两组蝶形弹簧6和卡箍5，转子2的上下轴向面各设有一个穿插在输出轴中的碟形弹簧6，每一个碟形弹簧6又通过紧固在输出轴4上的卡箍5实现压紧转子2。具体如图6所示。电机定子有多种结构，并不仅限于图中的多边形结构，主要利用某一个或某一部分的压电陶瓷片的变形方向与定子1两二阶面内弯曲模态下的振动方向均有一定的夹角，进而依据某一个或某一部分的压电陶瓷片的变形而同时激励出定子的两工作模态，使得定子与转子2相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转2子旋转。

图1为定子的一种构造方法。定子由八边形金属基体1和粘贴的压电陶瓷片构成。压电陶瓷片的极化方向沿定子体的外法线方向。定子的所选工作模态为两二阶面内弯曲模态，具体如图4和图5所示。图3中的虚线为以图1的定子结构为例的定子在两二阶面内弯曲模态下的振动方向，理论上，这两个共振模态在振动方向上的夹角为45°。由于所选定子的工作模态为面内振动模态，因此，可将图1中的定子加工成薄片状。

当在定子组件一侧的压电陶瓷片ⅱ32经过矩形板电极输入一相驱动电压信号，定子组件另一侧的压电陶瓷片ⅰ31悬空时，压电陶瓷片ⅱ32在逆压电效应下可激发出其沿x方向的变形，由于压电陶瓷片ⅱ32的变形方向与定子两二阶面内弯曲模态下的振动方向均有一定夹角，因此可同时激励出定子正常工作所需的两二阶面内弯曲振动模态。两弯曲振动模态下，定子沿两个方向弯曲振动的叠加形成了定子驱动面质点的椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动转子沿某一方向旋转。另外，悬空的压电陶瓷片ⅰ31不仅可用于调节两二阶面内弯曲振动模态共振频率之间的频率差，而且可实时监测电机的运行状况，实现能量转换。

类似地，当在定子组件一侧的压电陶瓷片ⅰ31经过矩形板电极输入一相驱动电压信号，定子组件另一侧的压电陶瓷片ⅱ32悬空时，压电陶瓷片ⅰ31在逆压电效应下的变形方向与定子两二阶面内弯曲模态下的振动方向同样均有一定夹角，因此可同时激励出电机定子正常工作所需的两二阶面内弯曲振动模态，但此时电机沿相反方向旋转。同时，悬空的压电陶瓷片ⅱ32不仅可用于调节两二阶面内弯曲振动模态共振频率之间的频率差，而且可实时监测电机的运行状况，实现能量转换。因此，对于所提出的单相激励型面内振动电机而言，通过在不同压电陶瓷片上施加激励电压来改变电机的旋转方向。

此外，当在压电陶瓷片ⅱ32和压电陶瓷片ⅰ31同时施加单相激励电压时，同样可激励出电机定子正常工作所需的两二阶面内弯曲振动模态。与以上两种在单个压电陶瓷片上施加激励电压的方法相比，当在压电陶瓷片ⅱ32和压电陶瓷片ⅰ31同时施加单相激励电压时，定子驱动面质点的输出位移更大。

实施例中的压电陶瓷片在未用作激励元件时，均可用以实时监测电机的运行状况，实现能量转换，或用以调节定子两二阶面内弯曲振动模态共振频率之间的频率差。

进一步方案：摩擦材料附着在定子上或转子2上，或在定子和转子2上同时附着有不同的摩擦材料，构成摩擦副。定子驱动表面上可以开有退屑槽。

实施例二：

图2为定子的另一种构造方法。定子由八边形金属基体1和粘贴的压电陶瓷片a22、压电陶瓷片b23、压电陶瓷片c24、压电陶瓷片d25构成。压电陶瓷片的极化方向沿定子体的外法线方向，具体如图2中的箭头所示。定子的所选工作模态为两二阶面内弯曲振动模态，具体如图4和图5所示。由于所选定子的工作模态为面内振动模态，因此，可将图2中的定子加工成薄片状。

对于图2中的定子结构而言，当在定子组件中的压电陶瓷片b23或压电陶瓷片c24经过矩形板电极输入一相驱动电压信号，定子组件其余的的压电陶瓷片悬空时，压电陶瓷片b23或压电陶瓷片c24在逆压电效应下可激发出其变形，由于压电陶瓷片b23或压电陶瓷片c24的变形方向与定子两二阶面内弯曲模态下的振动方向均有一定夹角，因此可同时激励出电机定子正常工作所需的两二阶面内弯曲振动模态。两弯曲振动模态下，定子沿两个方向弯曲振动的叠加形成了定子驱动面质点的椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动转子2沿某一方向旋转。另外，悬空的压电陶瓷片不仅可用于调节两二阶面内弯曲振动模态共振频率之间的频率差，而且可实时监测电机的运行状况，实现能量转换。同时，还可在定子组件中的压电陶瓷片b23和压电陶瓷片c24上同时施加单相激励电压。

类似地，当在定子组件中的压电陶瓷片a22或压电陶瓷片d25经过矩形板电极输入一相驱动电压信号，定子组件中其余的的压电陶瓷片悬空时，压电陶瓷片a22或压电陶瓷片d25在逆压电效应下的变形方向与定子两二阶面内弯曲模态下的振动方向同样均有一定夹角，因此可同时激励出电机定子正常工作所需的两二阶面内弯曲振动模态，但此时电机沿相反方向旋转。同时，悬空的压电陶瓷片不仅可用于调节两二阶面内弯曲振动模态共振频率之间的频率差，而且可实时监测电机的运行状况，实现能量转换。因此，对于所提出的单相激励型面内振动电机而言，通过在不同压电陶瓷片上施加激励电压来改变电机的旋转方向。同时，还可在定子组件中的压电陶瓷片a22和压电陶瓷片d25上同时施加单相激励电压。

此外，当在压电陶瓷片a22、压电陶瓷片b23、压电陶瓷片c24和压电陶瓷片d25同时施加单相激励电压时，同样可激励出电机定子正常工作所需的两二阶面内弯曲振动模态。与以上六种在单个和两个压电陶瓷片上施加激励电压的方法相比，当在压电陶瓷片a22、压电陶瓷片b23、压电陶瓷片c24和压电陶瓷片d25同时施加单相激励电压时，定子驱动面质点的输出位移更大。

实施例中的压电陶瓷片在未用作激励元件时，均可用以实时监测电机的运行状况，实现能量转换，或用以调节定子两二阶面内弯曲振动模态共振频率之间的频率差。

进一步方案：摩擦材料附着在定子上或转子2上，或在定子和转子2上同时附着有不同的摩擦材料，构成摩擦副。定子驱动表面上可以开有退屑槽。

电机定子可有多种结构，并不仅限于图1和图2中多边形结构，只要压电陶瓷片粘贴的位置和个数等满足某一个或某一部分的压电陶瓷片的变形方向与定子体两二阶面内弯曲模态下的振动方向均有一定的夹角即可。

本发明提出了一种单相激励型面内振动超声电机，并具体提出了通过改变定子基体外表面上所粘贴的压电陶瓷片的位置和个数等方式来改变定子体两二阶面内弯曲模态下的振动方向，进而实现电机的单相激励特性。该电机具有厚度薄、预压力机构简单、压电陶瓷易加工、成本低、可控性好、输出位移大、驱动电压低、易于实现整机微型化等特点，特别适合于薄型化和微型化的特殊使用场合，如：生物、医疗、微机械、自动控制、光学镜头、机器人和航空航天国防科技等领域。

本发明虽然已详细描述了各种概念，但本领域技术人员可以理解，对于那些概念的各种修改和替代在本发明公开的整体教导的精神下是可以实现的。可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。