CN102005967B - 一种频率控制转向的单驱动微型压电马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率控制转向的单驱动微型压电马达，包括定子以及可相对定子旋转的转子；所述的定子包括带中心孔的驱动体以及分别粘接在驱动体两个相邻的侧平面的压电片和匹配片，所述的压电片和匹配片的形状、材料至少有一种不同；所述的转子包括贯穿驱动体的中心孔的旋转体以及与旋转体一端固定连接的帽体；所述的帽体与所述的驱动体接触，所述的旋转体与所述的驱动体的中心孔孔壁之间有空隙。该压电马达体积小且易于控制正反转，对于压电马达***的微型化起到重要的作用。

Description

一种频率控制转向的单驱动微型压电马达

技术领域

本发明涉及压电马达领域，具体涉及一种频率控制转向的单驱动微型压电马达。

背景技术

超声波电机(Ultrasonic Motor)简称USM，是一种利用逆压电效应实现电能到机械能转换的电机；一般由定子，转子等部件构成，工作原理为：通过压电材料的逆压电效应，使得与转子相接触的定子表面质点产生椭圆运动，从而导致定子表面质点与转子之间有相对运动，借助于转子表面的摩擦力，使定子、转子之间产生单方向的滑动摩擦，最终驱动转子运动。鉴于定子的机械振动是由压电材料根据逆压电效应所产生的，故超声波电动机又名压电马达。

压电马达具有极高的位移分辨率、大力矩和低转速等特点，是一种能直接驱动负载的高刚度、高响应速度、高精度的驱动器。含有压电马达的部件能构成高保持力、低噪音的传动***，容易实现小型化和智能化。所以压电马达在精密机械、测量仪器、传输***等领域的应用前景非常广阔。

压电马达为了实现双向控制驱动即压电马达的正反转，往往需要两套压电片，一套压电片加sinθ信号，另外一套压电片加cosθ信号，两套压电片的驱动电压在时间上形成90度电压相位差，配合设计空间上的相位差即可实现转子的旋转；如果将原来驱动两套压电片上的电压相位差改为-90度(如将sinθ信号变成cosθ信号，cosθ信号变成sinθ信号)，那么转子的旋转方向将发生改变，从而实现压电马达的双向控制驱动。

由于传统的压电马达要使用两套压电片来控制正反转，每套压电片都需要一个电路驱动，所以压电马达***的体积会变得庞大，限制了其在精密机械领域的应用。随着压电马达微型化小型化的进步，对压电马达***尺寸减小的要求也越来越高。如果能减小到只用一个压电片和一个驱动***，那么压电马达***的尺寸将大大的减小。

发明内容

本发明提供了一种体积小且电源驱动简单的频率控制转向的单驱动微型压电马达。

一种频率控制转向的单驱动微型压电马达，包括定子以及可相对定子旋转的转子；所述的定子包括带中心孔的驱动体以及分别粘接在驱动体两个相邻的侧平面的压电片和匹配片，所述的压电片和匹配片的形状、材料至少有一种不同；所述的转子包括贯穿驱动体的中心孔的旋转体以及与旋转体一端固定连接的帽体；所述的帽体与所述的驱动体接触，所述的旋转体与所述的驱动体的中心孔孔壁之间有空隙。

为了达到更好地发明效果，优选：

所述的驱动体沿压电片的中轴面呈镜像对称，以利于匹配片的设计。为了保证压电马达具有较好的镜像对称性，所述的驱动体进一步优选为柱状，可以为带有两个侧平面的类圆柱、三角形柱、方柱、多边形柱等中的一种，最优选带有两个侧平面的类圆柱或方柱。所述的柱状驱动体进一步优选沿驱动体轴向设置中心孔。

所述的压电片和匹配片的夹角最好为90度，更利于通过电压的频率来控制马达转向。

所述的压电片采用本领域通用的压电材料片，如可选用压电陶瓷片等。

所述的驱动体的材料为金属，如铜、钢等金属。

所述的转子的材料为金属，如铜、钢等金属。

所述的匹配片的材料可选用铝等。

所述的旋转体的另一端设有弹性机构，用于使转子的帽体与定子的驱动体更加紧密接触。所述的弹性机构可选用弹性卡片或由弹簧与垫片组成的复合弹性机构。

本发明压电马达具有特殊的结构：两个相邻的侧平面分别粘接有压电片和匹配片的驱动体，可以只利用一个交流驱动信号对电压片施加电压，通过改变流驱动信号的频率来控制压电马达的正反双向转动。这种结构的压电马达制作工艺大大简化，减小了对电源模块的需求，从控制角度而言，正反转的控制变得更加简单而高效。

本发明压电马达的工作原理为：向压电片上施加较低频率的交流电压的sin信号，通过压电片的逆压电效应，使得与转子相接触的定子表面质点产生椭圆运动，从而导致定子表面质点与转子之间有相对运动，借助于转子表面的摩擦力，使定子、转子之间产生单方向的滑动摩擦，最终驱动转子相对定子转动，该转动假设为顺时针旋转；将交流电压的sin信号的频率调高，基于压电片的逆压电效应，最终驱动转子相对定子反向转动，该转动则为逆时针旋转。压电片和匹配片起到互相破坏对方一阶摆动对称性的作用，从而使得与转子相接触的定子表面极易形成正或反的旋度，而匹配片与压电片的不一样则造就了两种不一样的一阶摆动谐振频率，故通过驱动压电片频率的不一样，即可控制正反转向。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明压电马达采用两个相邻的侧平面分别粘接有压电片和匹配片的驱动体，仅使用一个频率可变化的交流驱动信号即可实现压电马达的正反双向转动。

本发明压电马达结构简单，可设计成直径为0.5～50mm的马达，电源驱动简单，大大减小了压电马达对电源模块的需求，从而大大减小了压电马达***的体积，对于压电马达***微型化起到重要的作用。从控制角度而言，使压电马达正反转的控制变得更加简单而高效。

附图说明

图1为本发明压电马达的一种结构示意图；

图2为图1中定子的结构示意图；

图3为图2中定子的俯视结构示意图；

图4为图1中转子的结构示意图；

图5为本发明压电马达结构原理图。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明频率控制转向的单驱动微型压电马达，包括定子以及可相对定子旋转的转子，定子可通过夹持固定也可通过与定子固定连接的基座1进行固定，驱动体3中的中心孔8贯穿基座1；定子包括带中心孔8的驱动体3以及分别通过502胶水粘接在驱动体3两个相邻的侧平面的压电片2和匹配片9，压电片2和匹配片9的形状相同但材料不同；转子包括贯穿驱动体3的中心孔8的旋转体5以及与旋转体5一端固定连接的帽体4；帽体4与驱动体3接触，旋转体5与驱动体3的中心孔8的孔壁之间有空隙。

旋转体5的另一端装有弹性卡片6，用于将转子和定子装配在一起，并可以提供一个预紧力使转子的帽体4与定子的驱动体3接触良好。

驱动体3沿压电片的中轴面呈镜像对称，为了保证驱动体3具有较好的镜像对称性，驱动体3可为柱状，可以为带有两个相邻侧平面的类圆柱、三角形柱、方柱、多边形柱状等中的一种，最优选两个相邻侧平面夹角为90度的类圆柱或方柱。中心孔8沿柱状驱动体的轴向设置。

压电片2选用PZT4压电陶瓷片，匹配片9选用薄铝片，驱动体3的材料为铜，转子的材料为金属铜。

如图5所示，以方柱形的驱动体3为例，本发明频率控制转向的单驱动微型压电马达的工作原理如下：

当方柱形的驱动体3的底端固定时，方柱形的驱动体3的一阶谐振方向将有沿着X轴方向和沿着Y轴方向两种，频率分别为fx和fy。如果匹配片9与压电片2是同一种材料，且结构上匹配片9与压电片2具有Z轴的4阶旋转对称时，fx＝fy。当略微改变匹配片的材料或者结构，fx≠fy，此时，如果对压电片2进行驱动，且驱动频率为fx时，方柱形的驱动体3的上表面将产生顺时针的旋度，如果对压电片2进行驱动，且驱动频率为fy时，方柱形的驱动体3的上表面将产生逆时针的旋度，这种旋度将对与方柱形的驱动体3的上表面接触的帽体产生旋转驱动，从而驱动转子旋转。驱动压电片2的驱动信号频率为fx时，转子顺时针旋转，驱动压电片2的驱动信号频率为fy时，转子逆时针旋转。

例如，对压电片2施加电压约为25V频率约18k的sin交流信号，压电马达将发生顺时针旋转；对压电片2施加电压约为25V频率约20k的sin交流信号，马达将发生逆时针旋转。

Claims (8)

1.一种频率控制转向的单驱动微型压电马达，包括定子以及可相对定子旋转的转子，其特征在于，所述的定子包括带中心孔的驱动体以及分别粘接在驱动体两个相邻的侧平面的压电片和匹配片，所述的压电片和匹配片的形状、材料至少有一种不同；

所述的转子包括贯穿驱动体的中心孔的旋转体以及与旋转体一端固定连接的帽体；

所述的帽体与所述的驱动体接触，所述的旋转体与所述的驱动体的中心孔孔壁之间有空隙；

利用一个交流驱动信号对压电片施加电压，通过改变流驱动信号的频率来控制压电马达的正反双向转动。

2.根据权利要求1所述的频率控制转向的单驱动微型压电马达，其特征在于，所述的驱动体沿压电片的中轴面呈镜像对称。

3.根据权利要求2所述的频率控制转向的单驱动微型压电马达，其特征在于，所述的驱动体为柱状。

4.根据权利要求3所述的频率控制转向的单驱动微型压电马达，其特征在于，所述的驱动体为带有两个相邻的侧平面的类圆柱、三角形柱、方柱中的一种。

5.根据权利要求3所述的频率控制转向的单驱动微型压电马达，其特征在于，所述的驱动体沿驱动体轴向设置中心孔。

6.根据权利要求1所述的频率控制转向的单驱动微型压电马达，其特征在于，所述的压电片和匹配片的夹角为90度。

7.根据权利要求1所述的频率控制转向的单驱动微型压电马达，其特征在于，所述的旋转体的另一端设有用于使转子的帽体与定子的驱动体紧密接触的弹性机构。

8.根据权利要求7所述的频率控制转向的单驱动微型压电马达，其特征在于，所述的弹性机构为弹性卡片或为由弹簧与垫片组成的复合弹性机构。

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