CN102005965B - 一种单相电源驱动的超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相电源驱动的超声波电机，包括定子、上转子、下转子、机械输出杆以及压紧部件，其特征在于：所述压电片为2片，设于空心金属直管外侧的同一横截面上，且两片压电片的延伸平面构成夹角；所述两片压电片中的一片与交流电源相连接，另一片与空心金属直管相连接；所述空心金属直管接地；所述压电片的材料为弛豫铁电单晶。本发明的超声波电机可设计为直径在5mm以内的圆柱型结构，只需单相电源驱动，克服了常用的环形超声波电机存在的体积大、驱动电路复杂等缺陷，具有体积小、驱动电路简单、加工容易等优点，可实现和其它的电子设备集成在一起，可控性好，能广泛应用在相机对焦、医疗仪器、微小型机器人以及低温环境等领域中。

Description

一种单相电源驱动的超声波电机

技术领域

本发明涉及一种超声波电机，更具体地说，是涉及一种利用弛豫铁电单晶优化的压电材料的逆压电效应研制出的单相电源驱动的超声波电机，属于电机技术领域。

背景技术

超声波电机简称超声电机，又称压电马达，是20世纪80年代才诞生的一种全新概念的电机种类。超声电机是采用与传统的电磁式电机截然不同的全新的原理和全新的结构形式，不需要磁铁和线圈，而是利用压电材料的逆压电效应激发某种特定模态的超声振动，从而将电能转换成机械能，获得机械输出的一种驱动器。超声电机的原理是通过压电材料的逆压电效应，利用外加交变电场，使压电材料交变伸缩。超声电机主要由定子、转子及其他的一些构件组成。超声电机与传统的电磁电机相比有以下的优点：1)电磁电机在高速下效率高但是转矩小，而超声电机低速下转矩大且效率高；低速大转矩，无需齿轮增减速机构就可实现直接驱动；2)转子惯性小，响应时间小于1ms，能够实现纳米级精确定位；3)由于定子转子之间的摩擦，马达能够断电自锁；4)结构简单、紧凑，可以实现短、小、薄的特点，容易和其它的装置实现集成化；5)工作在超声频段，不产生噪声；6)由于未使用磁电感应，因而不受磁场干扰。因此超声电机被广泛应用在工业、民用及航空航天等领域。

超声电机按照运动形式来划分，可以分为旋转型和直线型两种类型的超声电机。早在1987年，日本佳能公司研制出第一台用旋转型超声电机变焦的相机，成功地将环形超声电机应用到EOS(Electro OpticalSystem)系列全时手动高档相机，90年代中期又开发了一种柱状的超声波电机用于照相机的调焦，这种电机采用4片环形压电陶瓷，每片陶瓷分成两个区，极化方向相反，两片为一组，极化方向相反进行叠堆，这样一组陶瓷片采用交流激励电压就可以激发出定子的弯曲振动，用两个互相垂直的弯曲振动就可以合成定子端面质点的椭圆运动，从而可以驱动电机运转。此类电机由于涉及到多片压电陶瓷片的叠堆，并且极化方向不同，工艺较复杂，且采用两相高频交流电信号激励，这导致这类电机的价高较高。现有技术中还有另一种超声电机，此电机主要由六片压电陶瓷片、定子、转子以及压紧装置组成，压电陶瓷片由上到下依次逆时针旋转60度，每一片分成两个区，极化方向相反，施加同一电压后，一部分膨胀，另一部分缩小。所有压电陶瓷片用同一相位的单相电压驱动。但是此电机的装配以及极化工艺仍较为复杂，不利于大批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种单相电源驱动的超声波电机，以解决现有技术中的环形超声电机存在体积大、驱动电路复杂等缺陷问题，大大简化超声电机的驱动***，满足工业化的需求。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种单相电源驱动的超声波电机，包括定子、上转子、下转子、机械输出杆以及压紧部件，所述定子包括压电片、空心金属直管，压电片与空心金属直管固定连接；所述上、下转子分别设于空心金属直管的上端、下端，并与贯穿空心金属直管的机械输出杆相连接；所述压紧部件包括弹簧以及螺母；螺母与机械输出杆的上端以螺纹连接；弹簧套设在螺母与上转子之间的机械输出杆上；其特征在于：所述压电片为2片，设于空心金属直管外侧的同一横截面上，且两片压电片的延伸平面构成夹角；所述两片压电片中的一片与交流电源相连接，另一片与空心金属直管相连接；所述空心金属直管接地；所述压电片的材料为弛豫铁电单晶。

所述弛豫铁电单晶的化学组成推荐为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃、(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃或Pb(Zr_xTi_1-x)O₃中的一种。

所述弛豫铁电单晶的化学组成推荐在固溶体的准同型相界附近。

所述弛豫铁电单晶的取向推荐为<001>或<011>。

两片压电片的延伸平面的夹角推荐为90°。

所述压电片推荐通过环氧树脂与空心金属直管固定连接。

所述空心金属直管与下转子之间推荐采用一体连接结构。

所述上、下转子推荐采用半球形或圆锥形结构，其外圆弧面与空心金属直管的端面相连接。

所述机械输出杆的材料推荐为铜或铁合金。

所述超声波电机推荐为圆柱状，其直径≤5mm。

本发明的超声波电机采用的振动模态是定子的两个一阶弯曲振动，由于在定子的两个正交的一阶弯曲振动一个沿着Y轴来回振动，另外一个沿着X轴来回弯曲振动，在定子的两个侧面加工两个平台，并且在两个平台上粘贴大小与其匹配的压电片，会导致由压电片及空心金属直管组成的定子的圆对称性遭到破缺，引起沿X轴和Y轴的两个弯曲振动的谐振频率f1以及f2不一致，这将会导致电机的性能降低；但对定子激励时，只要在f1与f2两个频率之间选择一个频率对定子进行激励，就可以同时激发出沿X轴和Y轴两个一阶弯曲振动，这样在定子的两个端面上的质点就做椭圆运动，驱动放置在定子上的转子。因此，本发明的超声波电机在工作时，只需要对定子上的一片压电片施加交流电信号，施加电信号的方法是：金属定子接地，压电片靠外的主面施加交流电，切换电机的运转方向时，只需要对另外一片压电片进行电激励则可以。

与现有技术相比，本发明的超声波电机可设计为直径在5mm以内的圆柱型结构，只需单相电源驱动，克服了常用的环形超声波电机存在的体积大、驱动电路复杂等缺陷，具有体积小、驱动电路简单、加工容易等优点，可实现和其它的电子设备集成在一起，可控性好，能广泛应用在相机对焦、医疗仪器、微小型机器人以及低温环境等领域中。

附图说明

图1是本发明的超声波电机的结构示意图。

图2是图1中定子的结构示意图。

图3是沿图2中“A-A”线的剖视图。

图4是图1中压电片采用(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃铁电单晶片时的电导频谱图。

图5是图1中压电片采用传统的PZT陶瓷片时的电导频谱图。

图6是图1中压电片采用(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃铁电单晶片时在不同电压激励下电机的转速曲线图；

图7是图1中压电片采用传统的PZT陶瓷片时在不同电压激励下电机的转速曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

请参阅图1、图2、图3所示，本实施例的超声波电机，包括定子1、上转子2、下转子3、机械输出杆4以及压紧部件5，所述定子1包括压电片11和空心金属直管12，压电片11与空心金属直管12连接固定；所述上转子2设于空心金属直管12的上端，所述下转子3设于空心金属直管12的下端，并与贯穿空心金属直管12的机械输出杆4相连接；所述压紧部件5包括弹簧51以及螺母52；螺母52与机械输出杆4的上端以螺纹连接；弹簧51套设在螺母52与上转子2之间的机械输出杆4上，通过旋紧螺母52以固定转子与空心金属直管；所述压电片11为2片，设于空心金属直管12外侧的同一横截面上，两片压电片中的一片与交流电源相连接，另一片与空心金属直管相连接；所述空心金属直管接地。

所述压电片11的材料为弛豫铁电单晶，其化学组成推荐为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃、(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃或Pb(Zr_xTi_1-x)O₃中的一种。其中x表示不同压电陶瓷的化学组分，其最优的化学组分在固溶体的准同型相界附近，其最优的化学组分在固溶体的准同型相界附近，单晶的择优取向为<001>以及<011>两个方向。

所述空心金属直管12与下转子3之间为一体连接结构。

所述上、下转子采用半球形或圆锥形结构，其外圆弧面与空心金属直管的端面相连接。采用半球形或圆锥形结构的转子，可以减少定子和转子之间的滑动摩擦，从而提高电机的效率。

所述机械输出杆的材料推荐为铜或铁合金。

所述空心金属直管12是由黄铜管加工而成，黄铜管的外直径为5mm，内直径为3.2mm，长为18mm，在黄铜管的外面加工有2个平台，两个平台之间的夹角为90°，平台长为12.5mm，宽为2.7mm，在这两个平台上利用环氧树脂粘贴有压电片11，压电片的长为12.5mm，宽为2.7mm，厚为1mm。

使用本发明的超声波电机时，通过调节螺母52的位置对弹簧51施加压力，弹簧51通过给定子1和上转子2施加一定的压力，使得定子1与上转子2以及下转子3紧密接触。

为了评价弛豫铁电单晶作为压电片11的优越性，我们制备了两种同规格的超声电机，一个在定子1上粘上两片(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃铁电单晶压电片，一个在定子1上粘上传统的PZT陶瓷片，并对这两种类型定子以及电机性能进行了测量。图4、图5分别为所制备的(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃铁电单晶压电片定子以及PZT陶瓷压电片定子的电导频谱图。根据对比可以知道：铁电单晶压电片定子在谐振频率处的电导比PZT陶瓷压电片定子的要低很多。此外，铁电单晶压电片定子只有一个谐振频率，说明两个正交的一阶弯曲振动的谐振频率合并成一个，这非常有利于提高定子的振幅，从而提高电机的性能；而陶瓷压电片定子上存在两个谐振峰，说明两个正交的弯曲振动的谐振频率***，只有用频率在这两个***的谐振频率之间的交流电信号激励定子时，电机才能正常运转，由于激励的频率不是在谐振频率处，这将导致定子的振幅较低，从而使得电机的机械输出较低。图6及图7分别为采用最佳激励频率，利用不同电压激励铁电单晶压电片以及陶瓷压电片定子时电机的转速曲线图。图6显示铁电单晶超声电机正、反转的转速变化不大，而且启动电压非常的低。而图7显示陶瓷压电片电机的正、反转的转速变化很大，而且启动电压非常的高。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种单相电源驱动的超声波电机，包括定子、上转子、下转子、机械输出杆以及压紧部件，所述定子包括压电片、空心金属直管，压电片与空心金属直管固定连接；所述上、下转子分别设于空心金属直管的上端、下端，并与贯穿空心金属直管的机械输出杆相连接；所述压紧部件包括弹簧以及螺母；螺母与机械输出杆的上端以螺纹连接；弹簧套设在螺母与上转子之间的机械输出杆上；其特征在于：所述压电片为2片，设于空心金属直管外侧的同一横截面上，且两片压电片的延伸平面构成夹角；所述两片压电片中的一片与交流电源相连接，另一片与空心金属直管相连接；所述空心金属直管接地；所述压电片的材料为弛豫铁电单晶。

2.根据权利要求1所述的单相电源驱动的超声波电机，其特征在于：所述弛豫铁电单晶的化学组成为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃、(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃或Pb(Zr_xTi_1-x)O₃中的一种。

3.根据权利要求1所述的单相电源驱动的超声波电机，其特征在于：所述弛豫铁电单晶的化学组成在固溶体的准同型相界。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的单相电源驱动的超声波电机，其特征在于：所述弛豫铁电单晶的取向为<001>或<011>。

5.根据权利要求1所述的单相电源驱动的超声波电机，其特征在于：两片压电片的延伸平面的夹角为90°。

6.根据权利要求1所述的单相电源驱动的超声波电机，其特征在于：所述压电片通过环氧树脂与空心金属直管固定连接。

7.根据权利要求1所述的单相电源驱动的超声波电机，其特征在于：所述机械输出杆与下转子之间采用一体连接结构。

8.根据权利要求1所述的单相电源驱动的超声波电机，其特征在于：所述上、下转子采用半球形或圆锥形结构，其外圆弧面与空心金属直管的端面相连接。

9.根据权利要求1所述的单相电源驱动的超声波电机，其特征在于：所述机械输出杆的材料为铜或铁合金。

10.根据权利要求1所述的单相电源驱动的超声波电机，其特征在于：所述超声波电机为圆柱状，其直径≤5mm。

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