CN101707445B - 薄板式双行波型旋转超声电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种薄板式双行波型旋转超声电机及其控制方法，属超声电机领域。所述电机由转子、基座、轴承、橡胶弹簧、定子构成。转子和基座通过轴承定位，橡胶弹簧压在定子和基座间，固定定子，同时提供定、转子间的预压力。定子采用一个环形金属薄片和一个环形压电陶瓷片的复合结构，压电陶瓷环单向极化，具有均匀分区的扇形镀银电极。本发明的双行波薄板式超声电机的转子运动由定子周向振动提供的摩擦力驱动，其转速不受定子轴向尺寸的限制，定子端面上无需设置齿。与传统行波型超声电机相比较，具有结构简单，加工成本低，易于微、小型化，可应用于精密机械设备及光学仪器设备中。

Description

薄板式双行波型旋转超声电机及其控制方法

技术领域：

本发明涉及一种薄板式双行波型旋转超声电机及其控制方法，属旋转超声电机及其控制方法的技术领域。

背景技术：

超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，并通过定、转子之间的摩擦将其转换成转子(动子)的回转(直线)运动的新型电机。其中，行波型旋转超声电机基本原理是通过激发圆环或圆板上弯曲振动(或面外振动)行波，形成定子表面的椭圆运动。轨迹椭圆的切向轴的长度除了与法向轴的长度成正比之外，同时还与定子的厚度成正比，椭圆的切向轴越长、电机转速越高，反之亦然。然而，定子弯曲振动幅值也与厚度有关：定子越厚，振幅越小。因此，通过增加定子厚度来提高电机转速的方法是不可行的。目前，行波型旋转超声电机采用定子端面开设齿槽的结构形式，在一定程度上能缓和两方面的矛盾。但同时带来了一个新问题：齿槽增加了定子的复杂性，不利于设计与加工；也不利于微、小型化，应用范围受限。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷提出一种结构简单、易于微、小型化、大扭矩、效率高、响应速度快、应用范围更广的薄板式双行波型旋转超声电机及其控制方法。

薄板式双行波型旋转超声电机，由轴承、基座、转子和定子构成，转子、定子和基座共轴承设置，其特征在于：还包括橡胶弹簧，所述定子由环形金属薄片和环形压电陶瓷片共轴承复合构成，环形金属薄片的顶部连接转子，环形金属薄片的底部连接环形压电陶瓷片的顶部，环形压电陶瓷片的底部与基座相对设置，所述环形压电陶瓷片的底部均布单向极化的分区扇形镀银电极；橡胶弹簧穿过环形压电陶瓷片压在环形金属薄片和基座之间，所述橡胶弹簧隔离环形压电陶瓷片和轴承、固定定子，同时提供定、转子间的预压力。

所述的薄板式双行波型旋转超声电机，其特征在于：所述环形压电陶瓷片的扇形镀银电极的分区数为4或8或12或16或20或24或28或32。

所述的薄板式双行波型旋转超声电机的控制方法，其特征在于：经扇形镀银电极(8)给端口(13)输入驱动电信号驱动环形压电陶瓷片(2)产生超声振动，所述超声振动激发环形金属薄片(6)产生一个面外驻波(9)和一个面内驻波(11)；与此同时，经过

相位后经扇形镀银电极(8)给端口(14)输入驱动电信号驱动环形压电陶瓷片(2)产生超声振动，所述超声振动激发定子上的环形金属薄片(6)产生另一个面外驻波(10)和另一个面内驻波(12)；两个面外驻波合成一个面外行波，两个面内驻波合成一个面内行波，在定子上形成同向行进的双行波，使得定子环形金属薄片(6)表面质点做椭圆形轨迹的运动，通过定子行波波峰处的质点与转子(7)接触区域的摩擦力推动转子(7)转动，其中n为大于0的自然数。

薄板式双行波型旋转超声电机的双行波即利用面内周向振动模态和面外(弯曲振动)模态的叠加形成的两个行波来合成定子表面质点的椭圆运动，由此椭圆切向轴的长度由面内振动的振幅和面外振动的横向效应共同确定。该型超声电机除具有超声电机的一般特点外，结构更加紧凑，易于微、小型化；可实现正、反转运动，由两路正弦信号激励，驱动电路简单；定子的压电陶具有均匀的电极分区。

附图说明：

图1是薄板式双行波型旋转超声电机定、转子结构示意图。

图2是薄板式双行波型旋转超声电机定子结构示意图。

图3是薄板式双行波型旋转超声电机的工作模态示意图。其中图(a)为定子面外振动模态B₁₂；图(b)为定子面内振动模态θ₁₂。

图4是薄板式双行波型旋转超声电机工作模态的激励。是将图2所示的结构在半径r处沿周向张开，将周向坐标的原点设置在一条节径上，面内振动时，表面质点沿周向振动，为便于观察，将其位移用垂直坐标表示如图(e)、(f)。其中图(c)为给端口(13)施加交变激励电压E sin(ω₁t)时，定子产生振动，形成驻波w_A(θ，t)＝W sin(2θ)sin(ω₁t)；图(d)为给端口(14)施加交变激励电压E cos(ω₁t)时，定子产生振动，形成驻波w_B(θ，t)＝W cos(2θ)cos(ω₁t)。驻波w_A(θ，t)＝Wsin(2θ)sin(ω₁t)和w_B(θ，t)＝W cos(2θ)cos(ω₁t)的叠加形成面外行波。图(e)为给端口(13)施加交变激励电压E sin(ω₂t)时，定子产生振动，形成驻波δ_A(θ，t)＝U cos(2θ)sin(ω₂t)；图(f)为给端口(14)施加交变激励电压E cos(ω₂t)时，定子产生振动，形成驻波δ_B(t)＝-U sin(2θ)cos(ω₂t)。驻波δ_A(θ，t)＝U cos(2θ)sin(ω₂t)和δ_B(t)＝-U sin(2θ)cos(ω₂t)的叠加形成面内行波。其中：E为电压值，ω为模态频率，t为时间，θ为相位角，W为面外振幅，U为面内振幅，h为中性层距离表面的垂直距离。

注：图中均以陶瓷环4n＝8均匀扇形电极分区为例说明。

图1、图2中标号及符号名称：1橡胶弹簧，2环形压电陶瓷片，3弹簧挡圈，4轴承，5基座，6环形金属薄片，7转子，8扇形镀银电极。

图4中标号名称：13、14定子环行波驱动信号输入端。

具体实施方式：

下面以扇形镀银电极8的分区数为8为例说明薄板式双行波型旋转超声电机工作原理及具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明的薄板式双行波型旋转超声电机，主要由定子组件、转子及支架组件构成。定子组件采用一个环形金属薄片6和一个环形压电陶瓷片2的复合结构。压电陶瓷环单向极化，具有八个均匀分区的扇形镀银电极8；转子7和基座5通过轴承4定位；橡胶弹簧1压在定子和基座5间，固定定子，同时提供定、转子间的预压力。本发明的薄板式双行波型旋转超声电机，它由转子、基座、轴承、橡胶弹簧、定子构成。转子和基座通过轴承定位，橡胶弹簧压在定子和基座间，固定定子，同时提供定、转子间的预压力。定子采用一个环形金属薄片和一个环形压电陶瓷片的复合结构，压电陶瓷环单向极化，具有均匀分区的扇形镀银电极。

如图3所示，是薄板式双行波型旋转超声电机的工作模态示意图。其中图(a)为定子面外振动模态B₁₂；图(b)为定子面内振动模态θ₁₂。

本发明控制方法如下：环形压电陶瓷片2经扇形镀银电极8给端口13输入驱动电信号E sin(ωt)产生超声振动，激发定子上的环形金属薄片6产生一个面外驻波9和一个面内驻波11；环形压电陶瓷片2经扇形镀银电极8给端口14输入驱动电信号E cos(ωt)产生超声振动，激发定子上的环形金属薄片6产生一个面外驻波10和一个面内驻波12；两个面外驻波合成一个面外行波，两个面内驻波合成一个面内行波，两个行波的叠加使定子表面质点的运动轨迹为椭圆；定子行波波峰处经与转子7接触点附近的摩擦力共同作用于转子7，实现转子7转动。具体方法如图4所示：

图(c)所示为给端口13施加交变激励电压E sin(ω₁t)时，定子产生振动，形成驻波w_A(θ，t)＝W sin(2θ)sin(ω₁t)，ω₁为B₁₂模态的固有频率。图(d)为给端口14施加交变激励电压E cos(ω₁t)时，定子产生振动，形成驻波w_B(θ，t)＝W cos(2θ)cos(ω₁t)。同时给端口13和14施加上述激励，可得两个驻波合成的行波：w(θ，t)＝W sin(2θ+ω₁t)。

图(e)所示为给端口13施加交变激励电压E sin(ω₂t)时，定子产生振动，形成驻波δ_A(θ，t)＝U cos(2θ)sin(ω₂t)，ω₂为θ₁₂模态的固有频率。图(f)为给端口14施加交变激励电压E cos(ω₂t)时，定子产生振动，形成驻波δ_B(t)＝-U sin(2θ)cos(ω₂t)。同时给端口(13)和14施加上述激励，可得两个驻波合成的行波：δ₂(θ，t)＝U cos(2θ+ω₂t)。

当两个模态B₁₂和θ₁₂具有相同的固有频率(ω₁＝ω₂＝ω)时，对端口(13)和(14)分别施加激励电压E sin(ωt)和E cos(ωt)，可以同时激发定子上的两个行波，一个面外行波和一个面内行波。表面质点沿周向的振动为：

δ(θ，t)＝δ₁(θ，t)+δ₂(θ，t)＝(U-2hW)cos(2θ+ωt)

表面上任意质点P的运动可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_P\left(t\right)=(U-2\mathrm{hW})\cos (2{\mathrm{\θ}}_P+\mathrm{\ωt})\\ W_P\left(t\right)=W\sin ({2\mathrm{\θ}}_P+\mathrm{\ωt})\end{array}\right.$

这是一个椭圆方程。描述了两个行波叠加后，定子表面质点的运动轨迹。

Claims (3)

1.一种薄板式双行波型旋转超声电机，由轴承(4)、基座(5)、转子(7)和定子构成，转子(7)、定子和基座(5)共轴承(4)设置，其特征在于：还包括橡胶弹簧(1)，所述定子由环形金属薄片(6)和环形压电陶瓷片(2)共轴承(4)复合构成，环形金属薄片(6)的顶部与转子(7)接触，环形金属薄片(6)的底部固定有环形压电陶瓷片(2)，环形压电陶瓷片(2)的底部与基座(5)相对设置，所述环形压电陶瓷片(2)的底部均布单向极化的分区扇形镀银电极(8)；橡胶弹簧(1)穿过环形压电陶瓷片(2)压在环形金属薄片(6)和基座(5)之间，所述橡胶弹簧(1)隔离环形压电陶瓷片(2)和轴承(4)并固定定子，同时提供定、转子间的预压力。

2.根据权利要求1所述的薄板式双行波型旋转超声电机，其特征在于：所述环形压电陶瓷片(2)的扇形镀银电极(8)的分区数为4或8或12或16或20或24或28或32。

3.一种基于权利要求1所述的薄板式双行波型旋转超声电机的控制方法，其特征在于：经扇形镀银电极(8)给端口(13)输入驱动电信号驱动环形压电陶瓷片(2)产生超声振动，所述超声振动激发环形金属薄片(6)产生一个面外驻波(9)和一个面内驻波(11)；与此同时，经过

相位后经扇形镀银电极(8)给端口(14)输入驱动电信号驱动环形压电陶瓷片(2)产生超声振动，所述超声振动激发定子上的环形金属薄片(6)产生另一个面外驻波(10)和另一个面内驻波(12)；两个面外驻波合成一个面外行波，两个面内驻波合成一个面内行波，在定子上形成同向行进的双行波，使得定子环形金属薄片(6)表面质点做椭圆形轨迹的运动，通过定子行波波峰处的质点与转子(7)接触区域的摩擦力推动转子(7)转动。

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