一種基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達的製作方法
2023-04-23 13:07:11 1
專利名稱：一種基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓電馬達領域，具體涉及一種基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達。
背景技術：
超聲波電機(Ultrasonic Motor)簡稱USM，是一種利用逆壓電效應實現電能到 機械能轉換的電機；一般由定子，轉子等部件構成，工作原理為通過壓電材料的逆壓電效 應，使得與轉子相接觸的定子表面質點產生橢圓運動，從而導致定子表面質點與轉子之間 有相對運動，藉助於轉子表面的摩擦力，使定子、轉子之間產生單方向的滑動摩擦，最終驅 動轉子運動。鑑於定子的機械振動是由壓電材料根據逆壓電效應所產生的，故超聲波電動 機又名壓電馬達。壓電馬達具有極高的位移解析度、大力矩和低轉速等特點，是一種能直接驅動負 載的高剛度、高響應速度、高精度的驅動器。含有壓電馬達的部件能構成高保持力、低噪音 的傳動系統，容易實現小型化和智能化。所以壓電馬達在精密機械、測量儀器、傳輸系統等 領域的應用前景非常廣闊。壓電馬達為了實現雙向控制驅動即壓電馬達的正反轉，往往需要兩套壓電片，一 套壓電片加sin θ信號，另外一套壓電片加cos θ信號，兩套壓電片的驅動電壓在時間上 形成90度電壓相位差，配合設計空間上的相位差即可實現轉子的旋轉；如果將原來驅動兩 套壓電片上的電壓相位差改為-90度(如將sin θ信號變成cos θ信號，cos θ信號變成 sine信號)，那麼轉子的旋轉方向將發生改變，從而實現壓電馬達的雙向控制驅動。由於傳統的壓電馬達要使用兩套壓電片來控制正反轉，每套壓電片都需要一個電 路驅動，所以壓電馬達系統的體積會變得龐大，限制了其在精密機械領域的應用。隨著壓電 馬達微型化小型化的進步，對壓電馬達系統尺寸減小的要求也越來越高。如果能減小到只 用一個壓電片和一個驅動系統，那麼壓電馬達系統的尺寸將大大的減小。
發明內容
本發明提供了一種體積小且功耗低的基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達。一種基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達，包括基座、與基座固定連接的定子以 及可相對定子和基座旋轉的轉子；所述的定子包括帶中心孔的驅動體以及通過界面力連接 在驅動體一側平面的壓電片；所述的驅動體中的中心孔貫穿基座；所述的轉子包括貫穿驅 動體的中心孔的旋轉體以及與旋轉體一端固定連接的帽體；所述的帽體與所述的驅動體接 觸，所述的旋轉體與所述的驅動體的中心孔孔壁之間有空隙；所述的基座的邊緣設有對稱 分布的四個螺孔。所述的單驅動雙向壓電馬達的結構優選沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱，這種對稱 結構更有利於壓電馬達正反轉的邊界調控性。為了保證壓電馬達具有較好的鏡像對稱性， 所述的驅動體進一步優選為柱狀，可以為帶有一個側平面的類圓柱、三角形柱、方柱、多邊 形柱等中的一種。所述的柱狀驅動體進一步優選沿驅動體軸向設置中心孔。
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所述的四個螺孔優選沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱，這種對稱結構更有利於壓電 馬達正反轉的邊界調控性。所述的壓電片採用本領域通用的壓電材料片，如可選用壓電陶瓷片等。所述的驅動體的材料為金屬，如鋼等金屬。所述的轉子的材料為金屬，如鋼等金屬。所述的旋轉體的另一端設有彈性機構，用於使轉子的帽體與定子的驅動體更加緊 密的接觸。所述的彈性機構可選用彈性卡片或為由彈簧與墊片組成的複合彈性機構。本發明只利用一個sin θ信號來驅動一個壓電片，通過改變壓電馬達的邊界夾持 條件來改變馬達的旋轉方向，從而使得壓電馬達的電路驅動部分省掉一個，大大減小了壓 電馬達系統的體積和功耗。本發明壓電馬達的工作原理為當把基座上位於同一對角線上的兩個螺孔用螺釘 固定，位於另一同一對角線上的兩個螺孔自由，向壓電片上施加交流電壓的sin信號，通過 壓電片的逆壓電效應，壓電片向與轉子相接觸的定子施加交流的力，由於施加交流的力與 因邊界條件的變化導致結構的不對稱，交流的力的旋度發生了變化，由於交流的力的力場 旋度的影響而使轉子相對定子旋轉。同理，變換邊界條件，即把原本固定的位於同一對角線 上的兩個螺孔自由，把原本自由的位於同一對角線上的兩個螺孔固定，交流的力的力場旋 度將發生反向，而使轉子相對定子反向旋轉。與現有技術相比，本發明具有如下優點本發明壓電馬達只需要一個壓電片，僅使用一個交流驅動信號即可驅使轉子旋 轉，通過選擇性對壓電馬達基座邊緣的限定即能改變壓電馬達的鏡像對稱性結構的邊界條 件來改變壓電馬達的轉向，實現正反雙向轉動。本發明壓電馬達具有驅動電壓低( 5V)，結構簡單，電源驅動簡單的特點，大大 減小了壓電馬達對電源模塊的需求，從而大大減小了壓電馬達系統的體積，對於壓電馬達 系統微型化起到重要的作用。
圖1為本發明壓電馬達的一種結構示意圖；圖2為圖1中定子的結構示意圖；圖3為圖2中定子的俯視結構示意圖；圖4為圖1中轉子的結構示意圖；圖5為本發明壓電馬達結構原理圖；圖6為本發明壓電馬達的另一種結構原理圖。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明壓電馬達，包括基座1、與基座1固定連接的 定子以及可相對定子和基座1旋轉的轉子；定子包括帶中心孔8的驅動體3以及通過界面 力連接在驅動體3 —側平面的壓電片2 ；驅動體3中的中心孔8貫穿基座1 ；轉子包括貫穿 驅動體3的中心孔8的旋轉體5以及與旋轉體5 —端固定連接的帽體4 ；帽體4與驅動體 3接觸，旋轉體5與驅動體3的中心孔8孔壁之間有空隙；基座1的邊緣設有對稱分布的四個螺孔，按順時針方向分別記作螺孔C1、螺孔C2、螺孔C3和螺孔C4,作為邊界條件；螺孔C」 螺孔C2、螺孔C3和螺孔C4沿壓電片2的中軸面呈鏡像對稱。旋轉體5的另一端套有由墊片和彈簧組成的複合彈性機構6，用於提供一個預緊 力使定子的驅動體3與轉子的帽體4緊密接觸。壓電馬達沿壓電片2的中軸面呈鏡像對稱，因而，驅動體3可以為帶有一個側平面 的類圓柱、三角形柱、方柱、多邊形柱等柱狀驅動體中的一種，柱狀驅動體中沿驅動體3軸 向設置中心孔8。壓電片2選用壓電陶瓷片，驅動體3的材料為金屬鋼，轉子的材料為金屬鋼。以驅動體3上兩個沿壓電片2的中軸面呈鏡像對稱的點A和點B為例，結合圖5 和圖6，本發明壓電馬達的工作原理如下圖5中，驅動體3為方柱，省略壓電片2 ；圖6中，驅動體3為帶有一側平面的圓柱， 省略壓電片2 ；利用一個交流電壓約為5V的sin θ信號驅動壓電片2，壓電片2通過逆壓電效應 給驅動體3施加一個交流的力F，該交流的力F的表達式為F · sin (ω t)，那麼會在定子上 的Q圈上Y方向鏡像對稱的點A和點B分別產生一個小的運動軌跡，點A和點B兩點的運 動軌跡可以表達為
權利要求
1.一種基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達，其特徵在於，包括基座、與基座固定連接 的定子以及可相對定子和基座旋轉的轉子；所述的定子包括帶中心孔的驅動體以及通過界面力連接在驅動體一側平面的壓電片； 所述的驅動體中的中心孔貫穿基座；所述的轉子包括貫穿驅動體的中心孔的旋轉體以及與旋轉體一端固定連接的帽體；所述的帽體與所述的驅動體接觸，所述的旋轉體與所述的驅動體的中心孔孔壁之間有 空隙；所述的基座的邊緣設有對稱分布的四個螺孔。
2.根據權利要求1所述的基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達，其特徵在於，所述的 單驅動雙向壓電馬達的結構沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱。
3.根據權利要求1所述的基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達，其特徵在於，所述的 四個螺孔沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱。
4.根據權利要求1所述的基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達，其特徵在於，所述的 旋轉體的另一端設有用於使轉子的帽體與定子的驅動體緊密接觸的彈性機構。
5.根據權利要求4所述的基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達，其特徵在於，所述的 彈性機構為彈性卡片或為由彈簧與墊片組成的複合彈性機構。
全文摘要
本發明公開了一種基於邊界條件的單驅動雙向壓電馬達，包括基座、與基座固定連接的定子以及可相對定子和基座旋轉的轉子；所述的定子包括帶中心孔的驅動體以及通過界面力連接在驅動體一側平面的壓電片；所述的驅動體中的中心孔貫穿基座；所述的轉子包括貫穿驅動體的中心孔的旋轉體以及與旋轉體一端固定連接的帽體；所述的帽體與所述的驅動體接觸，所述的旋轉體與所述的驅動體的中心孔孔壁之間有空隙；所述的基座的邊緣設有對稱分布的四個螺孔。該壓電馬達體積小且功耗低，對於壓電馬達微型化起到重要的作用。
文檔編號H02N2/14GK102005966SQ20101057668
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者邢增平 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所