CN103001532A - 贴片式纵扭模态复合型超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴片式纵扭模态复合型超声电机，包括定子、转子和预压力机构，其中，所述定子包括定子金属基体和粘贴在定子金属基体上的纵振压电片和扭振压电片，所述定子基体为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片和扭振压电片，所述纵振压电片和扭振压电片均对称安装，成对使用；所述转子包括上转子、下转子和转子轴，所述上转子和下转子通过转子轴组成一个同步旋转的整体，所述转子通过预压力机构压紧在定子的两个端面上，纵振压电片和扭振压电片在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，定子通过摩擦驱动转子旋转。本发明实现调速和双向驱动，并具有成本低、精度高、制作简单等优点，利于微型化和产业化。

Description

贴片式纵扭模态复合型超声电机

技术领域

本发明涉及超声波应用装置技术领域，具体是一种贴片式纵扭模态复合型超声电

机。

背景技术

超声电机是一种压电电机，其利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声电机的定子的振动能，再通过摩擦作用把振动能转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子、转子(动子)及预压力机构等组成。与传统电磁电机相比，超声波电机具有许多特点和优点，比如：结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化；低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动；电机响应速度快，并且能实现断电自锁；位置和速度控制性好，位移分辨率高；超声波电机是通过振动摩擦进行能量转换的，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强；安静无噪声，超声波电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行；设计灵活，结构形式多样化。超声电机重量轻，结构紧凑，驱动电压低等特点，使其特别适合用于设备和机构的直接驱动，而不需要减速机构。

纵扭复合型超声电机是超声电机的一种重要类型。其利用了定子的纵向振动和扭转振动，这两种振动的复合使得定子驱动端面的质点产生椭圆运动，再通过定子、转子之间的摩擦作用驱动转子转动。与行波型超声电机相比，相同直径下，纵扭复合型超声电机能提供大得多的扭矩，其定子驱动端面质点的发向和切向振动可分别由纵振、扭振压电元件独立激发而成，这样就可以通过改变纵振、扭振两相的输入电压的大小，方便地控制电机的机械输出特性。纵扭型超声电机基本上可以分为两大类，一类是纵扭模态复合型，另一类是模态转换型。

图1为一种纵扭型超声电机的结构示意图，电机的定子为细长轴型，电机采用两组压电陶瓷片，在定子上激励出一阶的纵向振动和二阶的扭转振动。在设计时，将定子的一阶纵向振动模态频率和二阶扭转振动模态频率设计为相同，电机的工作模态为一阶纵向振动模态和二阶扭转振动模态的复合振动模态。工作时，两相激励信号的频率相同，且为定子的复合振动频率。有些纵扭电机将纵振压电陶瓷片和扭振压电陶瓷片分别装在定子、转子上，其工作效果也与图1所示电机类似，没有本质区别。

如图2(a)和(b)所示，纵振陶瓷片比较简单，为上下方向(轴向)极化，上下方向加电场的圆片。扭振陶瓷片要相对复杂很多。图2(a)为纵扭型电机所用的扭转型压电陶瓷片，其由8个扇形小片21、22、23、24、25、26、27和28粘接而成。211为每个小片的极化方向。29为压电陶瓷上所施加的激励电场的方向。利用压电陶瓷的d15逆压电效应，可在陶瓷片上产生一个扭转角210。

扭转型压电陶瓷片存在结构过于复杂，加工成本高，容易失效且不容易微型化等缺点，严重影响了纵扭电机的普及。为了解决这些问题，人们提出了模态转换型纵扭超声电机。如图3所示，Yukiyasu Kato在美国专利(US6469419B2)中提出的斜槽式模态转换式样纵扭超声电机，定子上的斜槽起到将纵向振动转化为扭转振动的作用。34为一组纵振压电陶瓷片，36为定子的二阶扭转振动模态，37为定子的一阶纵向振动模态。另外，Akio Kumada还提出了一种斜梁模态转化型的纵扭电机(US4642509)，其同样采用纵振压电陶瓷片激励出定子的纵向振动，靠斜梁转化为扭转振动。但这两种电机都存在旋转方向不可调，且力矩速度调节困难等问题。

微型化也是超声波电机的一个发展趋势。减少压电陶瓷的的加工制作困难，简化电机结构并在狭小的空间里获得大力矩是一个迫切需要解决的难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种贴片式纵扭模态复合型超声电机。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种贴片式纵扭模态复合型超声电机，包括定子、转子和预压力机构，其中，所述定子包括定子金属基体和粘贴在定子金属基体上的纵振压电片和扭振压电片，所述定子基体为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片和扭振压电片，所述纵振压电片和扭振压电片均对称安装，成对使用；所述转子包括上转子、下转子和转子轴，所述上转子和下转子通过转子轴组成一个同步旋转的整体，所述转子通过预压力机构压紧在定子的两个端面上，纵振压电片和扭振压电片在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，定子通过摩擦驱动转子旋转。

所述定子通过纵振压电片和扭振压电片的激励形成一阶纵振和一阶扭转振动复合振动模态，作为工作模态，其中，所述一阶纵振模态和一阶扭转振动模态频率相同，并通过该频率对电机进行激励，所述在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。

所述定子的扭振压电片上表面电极分成上左、上右、下左、下右四部分，下表面被完整电极，扭振压电片任意两个不相邻的区域极化方向相同，另外两个不相邻区域则与上述极化方向相反，激励时四个区域施加相同的交变电场，在定子金属基体上激励出一阶弯曲变形，扭振压电片成对使用，将弯曲变形转化为扭转变形。

所述预压力***包括弹簧、轴承和卡箍，所述转子的一端由轴承支撑，其另一端由弹簧压紧在定子端面上，轴承的一端端面贴紧在定子中部的安装面上，其另一端与转子轴的端面贴合，所述弹簧通过卡箍锁紧。

所述轴承的轴向安装表面设置在定子高度的中部。

所述超声电机的夹持位置位于定子中部的外表面，并采用柔性夹持方式。

所述定子通过纵振压电片和扭振压电片形成一阶纵振和二阶扭转振动复合振动模态的工作模态，其中，所述一阶纵振模态和二阶扭转振动模态频率相同，并通过该频率对电机进行激励，所述在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。

所述定子的扭振压电片上表面电极分成左右两部分，下表面被完整电极，扭振压电片左右两部分极化方向相反，施加相同的交变激励信号，贴在定子金属基体的两侧，单片使用时，在定子金属基体上激励二阶弯曲变形，成对使用时，则将定子金属基体的弯曲变形将转化为二阶扭转变形。

所述预压力***包括弹簧和卡箍，所述转子通过弹簧压紧在定子的两个端面上，且同步旋转，所述弹簧通过卡箍锁紧。

所述定子和/或转子上设有齿槽，所述齿槽的齿端设有摩擦副。

所述纵振压电片和扭振压电片为压电陶瓷材料或压电单晶。

本发明提供的贴片式纵扭模态复合型超声电机，使用一组对称的弯曲型压电贴片激励定子的扭转振动，采用另一组纵振压电贴片激励定子的扭转振动，从而在定子上激励出纵扭振动，通过摩擦面驱动转子旋转，能实现调速和双向驱动。本发明结构简单、成本低、易于加工、调速方便、容易微型化，在生物、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有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为现有技术纵扭电机图，图中，11为转子，12为定子，13为轴，14为螺母，15为弹簧，16为轴承，17为摩擦材料，18为纵振压电片，19为支撑盘，110为扭振压电片，111为螺栓；

图2为现有技术扭转压电陶瓷片的极化和拼装，其中，(a)为扭转压电陶瓷片的拼装和变形示意图，(b)为扭转压电陶瓷片的极化示意图，图中，21、22、23、24、25、26、27和28为扇形压电陶瓷小片，29为电场施加方向，210为施加电场后压电陶瓷的扭转角，211为扇形压电陶瓷小片的极化方向；

图3为现有技术开斜槽的模态转换型纵扭超声电机，图中，31为转子，32为转子上的斜槽，33为定子配重块，34为纵振压电陶瓷片，35为定子上的斜槽，36为定子的二阶扭转模态振型，37为定子的一阶纵振模态振型；

图4为本发明纵向振动陶瓷片及其变型示意图，其中，(a)为纵向振动陶瓷片极化和结构示意图，(b)为纵向振动陶瓷片变形示意图，图中，41为纵振压电片，42、43为电极面，44为极化方向，45为电场方向；

图5为本发明二分区扭转振动陶瓷片及其变型示意图，其中，(a)为二分区扭转振动陶瓷片极化和结构示意图，(b)为二分区扭转振动陶瓷片变形示意图，图中，51为二阶扭振压电片，52、53、54为电极面，55、56为极化方向，57、58为电场方向；

图6为本发明四分区扭转振动片及其变型示意图，其中，(a)为四分区扭转振动陶瓷片极化和结构示意图，(b)为四分区扭转振动陶瓷片变形示意图，图中，61为一阶扭振压电片，62、63、64、66、68为电极面，65、67、69、610为极化方向，611、

612、613、614为电场方向；

图7为本发明纵扭复合型电机定子结构示意图，图中，71为定子机体；

图8为本发明定子一阶纵振模态；

图9为本发明定子一阶扭振模态；

图10为本发明定子二阶扭振模态；

图11为本发明电机结构示意图，图中，111为上转子，113为下转子，112为定子金属基体，114为弹簧，115为卡箍；

图12为本发明电机结构示意图，图中，121为定子金属基体，122为轴承，123为轴，124为转子，125为弹簧，126为卡箍。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括定子、转子和预压力机构，其中，定子包括定子金属基体和粘贴在定子金属基体上的纵振压电片和扭振压电片，定子基体为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片和扭振压电片，纵振压电片和扭振压电片均对称安装，成对使用；转子包括上转子、下转子和转子轴，上转子和下转子通过转子轴组成一个同步旋转的整体，转子通过预压力机构压紧在定子的两个端面上，纵振压电片和扭振压电片在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，定子通过摩擦驱动转子旋转。

进一步地，定子通过纵振压电片和扭振压电片形成一阶纵振和二阶扭振的复合振动工作模态，一阶纵振模态和二阶扭振模态频率接近，用工作模态的频率对电机进行激励，在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。

进一步地，定子的扭振压电片上表面电极分成左右两部分，下表面被完整电极，扭振压电片左右两部分极化方向相反，施加相同的交变激励信号，贴在定子金属基体的两侧，单片使用时，在定子金属基体上激励二阶弯曲变形，成对使用时，则将定子金属基体的弯曲变形将转化为二阶扭转变形。

进一步地，预压力***包括弹簧和卡箍，转子通过弹簧压紧在定子的两个端面上，进一步地，弹簧通过卡箍锁紧。

进一步地，定子和/或转子上设有齿槽，进一步地，齿槽的齿端设有摩擦副。

进一步地，纵振压电片和扭振压电片为压电陶瓷材料或压电单晶。

具体为，如图4(a)和(b)所示，纵振压电片沿着厚度方向44极化，上下表面41、43被电极，在上下电极42、43之间施加一个交变电场45时，会产生沿长度方向伸长或缩短的变形。

如图5(a)和(b)所示，扭振压电片51上表面52、54和下表面53被电极，其中上表面电极分成左部分54和右部分52。扭振压电片51左右两边极化相反，左边极化方向55，右边56则方向相反。激励时，上表面52、54接相同的交变电压，下表面53接地，会在压电上激励出如图5(b)所示的二阶弯曲变形。该压电片与贴在圆柱金属基体的两侧，成对使用，单面电极与金属基体粘接在一起，弯曲变形将转化为扭转变形。

纵扭型超声电机的定子由定子金属基体71、两片对称安装的纵振压电片41和两片对称安装的扭振压电片51组成。定子金属基体由铜或其他金属材料构成。在两片对称安装的纵振压电片41上施加交变激励信号，将在定子上激励出如图8所示的纵向振动。在两片对称安装的扭振压电片51上施加交变激励信号，将在定子上激励出如图10所示的二阶扭转振动。若将定子的一阶纵振模态频率和二阶扭转模态振动频率设计为相同，则可激励出定子的一阶纵振和二阶扭转振动的复合振动。纵、扭振动的相位差为90度，电机的性能最好。因此，应该调整两相激励信号的相位差，使得纵、扭振动的相位差尽量接近90度。电机工作时，用同一频率对电机进行激励，定子上、下端面上质点的运动轨迹为椭圆。

如图11所示，定子由两片纵振压电片41、两片扭振压电片51和定子金属基体112组成。转子由上转子111、下转子113和转子轴组成一个同步旋转的整体，预压力***包括弹簧114和卡箍115，转子通过弹簧114压紧在定子的两个端面上，弹簧114由卡箍115锁紧。定子驱动与其接触的转子旋转，将电能转化为振动能，再转化为转子的运动输出。夹持时在定子中部采用柔性夹持方式，尽量减少夹持对振动性能的减弱。

纵扭型超声电机的定子也可由三片纵振压电片和三片扭振压电片组成，纵振压电片和扭振压电片交替均布在定子金属基体上。同样，压电片还可更多。

定子上或转子上可以开齿槽，用于退至屑和冷却。带齿端可以粘贴摩擦材料，也可定子、转子上同时处理上摩擦材料，构成摩擦副，降低磨损率，提高性能。

实施例2

实施例2的结构和激励方式与实施例1类似，其与实施例1的区别在于：在振动模态的选择上，实施例2选用了一阶纵振和一阶扭振的复合振动工作模态，相应的扭振陶瓷的分区和极化方式与实施例1中不同；由于定子两端的驱动方向相反，因此，仅能利用定子的一端驱动转子旋转；由于纵、扭振动有共同的阶平面，位于定子高度的中部，这给电机的装夹和固定带来了方便。

本实施例中，定子通过纵振压电片和扭振压电片形成一阶纵振和一阶扭转振动复合振动模态的工作模态，其中，所述一阶纵振模态和一阶扭转振动模态频率相同，并通过该频率对电机进行激励，所述在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。

进一步地，定子的扭振压电片上表面电极分成上左、上右、下左、下右四部分，下表面被完整电极，扭振压电片任意两个不相邻的区域极化方向相同，另外两个不相邻区域则与上述极化方向相反，激励时四个区域施加相同的交变电场，在定子金属基体上激励出一阶弯曲变形，扭振压电片成对使用，将弯曲变形转化为扭转变形。

进一步地，预压力***包括弹簧、轴承和卡箍，所述转子的一端由轴承支撑，其另一端由弹簧压紧在定子端面上，轴承的一端端面贴紧在定子中部的安装面上，其另一端与转子轴的端面贴合，所述弹簧通过卡箍锁紧。

进一步地，超声电机的夹持位置位于定子中部的外表面，并采用柔性夹持方式。

具体为，实施例2所用的扭振陶瓷片如图6(a)和(b)所示，扭振压电片61上表面63、64、66、68和下表面62被电极，其中上表面电极分成四部分63、64、66、68。极化时，斜对角的区域64、68极化方向相同。另一个对角66、63则极化方向相反。激励时，信号611、612、613、614相同，为同一交变电场，会在压电上激励出的一阶弯曲变形。该压电片与贴在圆柱金属基体的两侧，成对使用，单面电极与金属基体粘接在一起，弯曲变形将转化为扭转变形。

如图7和图9所示，若纵扭型超声电机的定子由定子金属基体71、两片对称安装的纵振压电片41和两片对称安装的扭振压电片61组成。将定子的一阶纵振模态频率和一阶扭转振动模态频率设计为相同，用同一频率对电机进行激励，则可激励出定子的一阶纵振和一阶扭转振动的复合振动。应该尽量使定子纵、扭振动的相位差接近90度。定子只有一个端面为驱动表面。

预压力***包括弹簧、轴承和卡箍，转子的一端由轴承支撑，其另一端由弹簧压紧在定子端面上，轴承的一端端面贴紧在定子中部的安装面上，其另一端与转子轴的端面贴合，进一步地，弹簧通过卡箍锁紧。

进一步地，轴承的轴向安装表面设置在定子高度的中部。

具体为，如图12所示。转子123一端由轴承支承，转子的另一端由弹簧125压紧在定子端面上。轴承的一端端面贴紧在定子中部的安装面上，另一端与转子轴的端面贴合。预压力***由卡箍126锁紧。定子的一阶纵振模态频率和一阶扭转振动模态频率设计为相同。激励时，交变激励信号(正弦或者矩形波)在定子上激励出相位差尽量接近90度的一阶纵向振动和一阶扭转振动，但激励信号的相位差并不一定是90度。定子端面上质点的运动轨迹为椭圆，通过摩擦驱动转子旋转。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，包括定子、转子和预压力机构，其中，所述定子包括定子金属基体和粘贴在定子金属基体上的纵振压电片和扭振压电片，所述定子基体为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片和扭振压电片，所述纵振压电片和扭振压电片均对称安装，成对使用；所述转子包括上转子、下转子和转子轴，所述上转子和下转子通过转子轴组成一个同步旋转的整体，所述转子通过预压力机构压紧在定子的两个端面上，纵振压电片和扭振压电片在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，定子通过摩擦驱动转子旋转。

2.根据权利要求1所述的贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，所述定子通过纵振压电片和扭振压电片的激励形成一阶纵振和一阶扭转振动复合振动模态，作为工作模态，其中，所述一阶纵振模态和一阶扭转振动模态频率相同，并通过该频率对电机进行激励，所述在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。

3.根据权利要求2所述的贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，所述定子的扭振压电片上表面电极分成上左、上右、下左、下右四部分，下表面被完整电极，扭振压电片任意两个不相邻的区域极化方向相同，另外两个不相邻区域则与上述极化方向相反，激励时四个区域施加相同的交变电场，在定子金属基体上激励出一阶弯曲变形，扭振压电片成对使用，将弯曲变形转化为扭转变形。

4.根据权利要求2或3所述的贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，所述预压力***包括弹簧、轴承和卡箍，所述转子的一端由轴承支撑，其另一端由弹簧压紧在定子端面上，轴承的一端端面贴紧在定子中部的安装面上，其另一端与转子轴的端面贴合，所述弹簧通过卡箍锁紧。

5.根据权利要求2或3所述的贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，所述超声电机的夹持位置位于定子中部的外表面，并采用柔性夹持方式。

6.根据权利要求1所述的贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，所述定子通过纵振压电片和扭振压电片形成一阶纵振和二阶扭转振动复合振动模态的工作模态，其中，所述一阶纵振模态和二阶扭转振动模态频率相同，并通过该频率对电机进行激励，所述在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。

7.根据权利要求6所述的贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，所述定子的扭振压电片上表面电极分成左右两部分，下表面被完整电极，扭振压电片左右两部分极化方向相反，施加相同的交变激励信号，贴在定子金属基体的两侧，单片使用时，在定子金属基体上激励二阶弯曲变形，成对使用时，则将定子金属基体的弯曲变形将转化为二阶扭转变形。

8.根据权利要求6或7所述的贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，所述预压力***包括弹簧和卡箍，所述转子通过弹簧压紧在定子的两个端面上，且同步旋转，所述弹簧通过卡箍锁紧。

9.根据权利要求1、2或6所述的贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，所述定子和/或转子上设有齿槽，所述齿槽的齿端设有摩擦副。

10.根据权利要求1、2或6所述的贴片式纵扭模态复合型超声电机，其特征在于，所述纵振压电片和扭振压电片为压电陶瓷材料或压电单晶。

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