專利名稱：一種頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達的制作方法
技術領域：
本發明涉及壓電馬達領域，具體涉及一種頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達。
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，借助于轉子表面的摩擦力，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。鑒于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分辨率、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)，那么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。由于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，那么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電源驅動簡單的頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬 達。—種頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，包括定子以及可相對定子旋轉的轉 子；所述的定子包括帶中心孔的驅動體以及分別粘接在驅動體兩個相鄰的側平面的壓電片 和匹配片，所述的壓電片和匹配片的形狀、材料至少有一種不同；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。為了達到更好地發明效果，優選所述的驅動體沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱，以利于匹配片的設計。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，可以為帶有兩個側平面 的類圓柱、三角形柱、方柱、多邊形柱等中的一種，最優選帶有兩個側平面的類圓柱或方柱。
3所述的柱狀驅動體進一步優選沿驅動體軸向設置中心孔。所述的壓電片和匹配片的夾角最好為90度，更利于通過電壓的頻率來控制馬達 轉向。所述的壓電片采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，如銅、鋼等金屬。所述的轉子的材料為金屬，如銅、鋼等金屬。所述的匹配片的材料可選用鋁等。所述的旋轉體的另一端設有彈性機構，用于使轉子的帽體與定子的驅動體更加緊 密接觸。所述的彈性機構可選用彈性卡片或由彈簧與墊片組成的復合彈性機構。本發明壓電馬達具有特殊的結構兩個相鄰的側平面分別粘接有壓電片和匹配片 的驅動體，可以只利用一個交流驅動信號對電壓片施加電壓，通過改變流驅動信號的頻率 來控制壓電馬達的正反雙向轉動。這種結構的壓電馬達制作工藝大大簡化，減小了對電源 模塊的需求，從控制角度而言，正反轉的控制變得更加簡單而高效。本發明壓電馬達的工作原理為向壓電片上施加較低頻率的交流電壓的sin信 號，通過壓電片的逆壓電效應，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，借助于轉子表面的摩擦力，使定子、轉子之間產生單 方向的滑動摩擦，最終驅動轉子相對定子轉動，該轉動假設為順時針旋轉；將交流電壓的 sin信號的頻率調高，基于壓電片的逆壓電效應，最終驅動轉子相對定子反向轉動，該轉動 則為逆時針旋轉。壓電片和匹配片起到互相破壞對方一階擺動對稱性的作用，從而使得與 轉子相接觸的定子表面極易形成正或反的旋度，而匹配片與壓電片的不一樣則造就了兩種 不一樣的一階擺動諧振頻率，故通過驅動壓電片頻率的不一樣，即可控制正反轉向。與現有技術相比，本發明具有如下優點本發明壓電馬達采用兩個相鄰的側平面分別粘接有壓電片和匹配片的驅動體，僅 使用一個頻率可變化的交流驅動信號即可實現壓電馬達的正反雙向轉動。本發明壓電馬達結構簡單，可設計成直徑為0. 5 50mm的馬達，電源驅動簡單，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，對于壓電馬 達系統微型化起到重要的作用。從控制角度而言，使壓電馬達正反轉的控制變得更加簡單 而高效。
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。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，包括 定子以及可相對定子旋轉的轉子，定子可通過夾持固定也可通過與定子固定連接的基座1進行固定，驅動體3中的中心孔8貫穿基座1 ；定子包括帶中心孔8的驅動體3以及分別通 過502膠水粘接在驅動體3兩個相鄰的側平面的壓電片2和匹配片9，壓電片2和匹配片9 的形狀相同但材料不同；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的孔壁之間
有空隙。旋轉體5的另一端裝有彈性卡片6，用于將轉子和定子裝配在一起，并可以提供一 個預緊力使轉子的帽體4與定子的驅動體3接觸良好。驅動體3沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱，為了保證驅動體3具有較好的鏡像對稱 性，驅動體3可為柱狀，可以為帶有兩個相鄰側平面的類圓柱、三角形柱、方柱、多邊形柱狀 等中的一種，最優選兩個相鄰側平面夾角為90度的類圓柱或方柱。中心孔8沿柱狀驅動體 的軸向設置。壓電片2選用PZT4壓電陶瓷片，匹配片9選用薄鋁片，驅動體3的材料為銅，轉子 的材料為金屬銅。如圖5所示，以方柱形的驅動體3為例，本發明頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬 達的工作原理如下當方柱形的驅動體3的底端固定時，方柱形的驅動體3的一階諧振方向將有沿著 X軸方向和沿著Y軸方向兩種，頻率分別為fx和fy。如果匹配片9與壓電片2是同一種材 料，且結構上匹配片9與壓電片2具有Z軸的4階旋轉對稱時，fx = fy。當略微改變匹配 片的材料或者結構，fx Φ fy，此時，如果對壓電片2進行驅動，且驅動頻率為fx時，方柱形 的驅動體3的上表面將產生順時針的旋度，如果對壓電片2進行驅動，且驅動頻率為fy時， 方柱形的驅動體3的上表面將產生逆時針的旋度，這種旋度將對與方柱形的驅動體3的上 表面接觸的帽體產生旋轉驅動，從而驅動轉子旋轉。驅動壓電片2的驅動信號頻率為fx時， 轉子順時針旋轉，驅動壓電片2的驅動信號頻率為fy時，轉子逆時針旋轉。例如，對壓電片2施加電壓約為25V頻率約18k的sin交流信號，壓電馬達將發生 順時針旋轉；對壓電片2施加電壓約為25V頻率約20k的sin交流信號，馬達將發生逆時針 旋轉。
權利要求
1.一種頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，包括定子以及可相對定子旋轉的轉子， 其特征在于，所述的定子包括帶中心孔的驅動體以及分別粘接在驅動體兩個相鄰的側平面 的壓電片和匹配片，所述的壓電片和匹配片的形狀、材料至少有一種不同；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。
2.根據權利要求1所述的頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，其特征在于，所述的 驅動體沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱。
3.根據權利要求2所述的頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，其特征在于，所述的 驅動體為柱狀。
4.根據權利要求3所述的頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，其特征在于，所述的 驅動體為帶有兩個相鄰的側平面的類圓柱、三角形柱、方柱、多邊形柱中的一種。
5.根據權利要求3所述的頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，其特征在于，所述的 驅動體沿驅動體軸向設置中心孔。
6.根據權利要求1所述的頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，其特征在于，所述的 壓電片和匹配片的夾角為90度。
7.根據權利要求1所述的頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，其特征在于，所述的 旋轉體的另一端設有用于使轉子的帽體與定子的驅動體緊密接觸的彈性機構。
8.根據權利要求7所述的頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，其特征在于，所述的 彈性機構為彈性卡片或為由彈簧與墊片組成的復合彈性機構。
全文摘要
本發明公開了一種頻率控制轉向的單驅動微型壓電馬達，包括定子以及可相對定子旋轉的轉子；所述的定子包括帶中心孔的驅動體以及分別粘接在驅動體兩個相鄰的側平面的壓電片和匹配片，所述的壓電片和匹配片的形狀、材料至少有一種不同；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。該壓電馬達體積小且易于控制正反轉，對于壓電馬達系統的微型化起到重要的作用。
文檔編號H02N2/14GK102005967SQ20101057739
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