專利名稱：一種電極分割型單驅動雙向壓電馬達的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓電馬達領域，具體涉及一種電極分割型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(xiàn)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(jù)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(tǒng)，容易實現(xiàn)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(tǒng)等領域的應用前景非常廣闊。壓電馬達為了實現(xiàn)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(xiàn)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sin θ信號)，那么轉子的旋轉方向將發(fā)生改變，從而實現(xiàn)壓電馬達的雙向控制驅動。由于傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，那么壓電馬達系統(tǒng)的尺寸將大大的減小。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種體積小且功耗低的電極分割型單驅動雙向壓電馬達?！N電極分割型單驅動雙向壓電馬達，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通過界面力連接在驅動體一側平面的壓電片；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 述的壓電片包括兩片相互獨立的壓電片或者包括被空隙分隔的兩個壓電片區(qū)域。為了達到更好地發(fā)明效果，優(yōu)選所述的兩片相互獨立的壓電片沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱，或者被空隙分隔 的兩個壓電片區(qū)域沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱，這樣可使得壓電馬達的正反轉的性能 有良好的一致性。所述的驅動體沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱，這樣可使得壓電馬達的正反轉的性能有良好的一致性。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(yōu)選為柱狀，可以為帶有一側平面的類圓柱、三角形柱、方柱、多邊形柱狀等中的一 種。所述的柱狀驅動體進一步優(yōu)選沿驅動體軸向設置中心孔。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，如鋼等金屬。所述的轉子的材料為金屬，如銅、鋼等金屬。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(fā)明壓電馬達具有特殊的壓電片結構兩片位于同一平面相互獨立的壓電片 或者包括被空隙分隔的兩個壓電片區(qū)域的壓電片，兩片相互獨立的壓電片或者被空隙分 隔的兩個壓電片區(qū)域相當于兩個分割的電極，可以只利用一個sin交流信號對不同的電極 施加電壓，壓電馬達即可實現(xiàn)不同方向的旋轉即實現(xiàn)壓電馬達的正反轉，而對不同電極 施加電壓的切換只需要一個單刀雙擲的開關換向就能輕易實現(xiàn)。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(tǒng)的體積和功耗。本發(fā)明壓電馬達的工作原理為向一片壓電片或一個壓電片區(qū)域上施加交流電 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信號切換至另一片壓電片或另一個壓電片區(qū)域上，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。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點本發(fā)明壓電馬達將電壓片進行電極分割，僅使用一個交流驅動信號通過選擇性 切換交流驅動信號施加的對象即可實現(xiàn)壓電馬達的正反雙向轉動。本發(fā)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(tǒng)的體積，對于壓電 馬達微型化起到重要的作用。
圖1為本發(fā)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(fā)明壓電馬達結構原理圖；圖6為本發(fā)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(fā)明電極分割型單驅動雙向壓電馬達，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以及通過膠體粘接在驅動體3 —側平面的壓電片2 ；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；壓電片2包括兩片相互獨立的壓電片即壓電片E1和壓電片 E2,或者包括被空隙分隔的兩個壓電片區(qū)域即壓電片區(qū)域E1和壓電片區(qū)域E2。旋轉體5的另一端套有由墊片和彈簧組成的復合彈性機構6，用于將轉子和定子 裝配在一起，并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。壓電片E1和壓電片E2沿壓電片2的中軸面呈鏡像對稱，或者壓電片區(qū)域E1和壓 電片區(qū)域E2沿壓電片2的中軸面呈鏡像對稱。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，可以為帶有一側平面的類圓柱、三角形柱、方柱、多邊形柱狀 等中的一種。中心孔8沿柱狀驅動體的軸向設置。壓電片E1和壓電片E2或者壓電片區(qū)域E1和壓電片區(qū)域E2均選用壓電陶瓷片， 驅動體3的材料為45號金屬鋼，轉子的材料為金屬銅。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(fā)明電極分割型單驅動雙向壓電馬達的工作原理如下圖5中，驅動體3為方柱；圖6中，驅動體3為帶有一側平面的圓柱；當利用一個交流電壓約為5V的sin θ信號驅動壓電片E1或者壓電片區(qū)域氐時， 壓電片E1或者壓電片區(qū)域E1將交流電壓轉換成一個交流應力F1施加至驅動體3上，此時 壓電片E2或者壓電片區(qū)域E2由于未被sin θ信號驅動交流應力F2等于0，由于力加載的 不對稱性導致點A和點B兩點對交流應力F1的響應不一樣，使得在Q圈上形成順時針的 旋度，從而使接觸Q圈上的轉子發(fā)生順時針旋轉。當利用一個交流電壓約為5V的sin θ 信號驅動壓電片E2或者壓電片區(qū)域E2時，壓電片E2或者壓電片區(qū)域E2將交流電壓轉換 成一個交流應力F2施加至驅動體3上，此時壓電片E1或者壓電片區(qū)域E1由于未被sin θ 信號驅動交流應力F1等于0，由于力加載的不對稱性導致點A和點B兩點對交流應力F2 的響應不一樣，使得在Q圈上形成逆時針的旋度，從而使接觸Q圈上的轉子發(fā)生逆時針 旋轉。sine信號在壓電片E1和壓電片E2之間或者壓電片區(qū)域E1和或者壓電片區(qū)域E2 之間的切換只需要一個單刀雙擲的開關換向就能輕易實現(xiàn)。因而，將sin θ信號在壓電片 E1和壓電片E2之間或者壓電片區(qū)域E1和或者壓電片區(qū)域E2之間切換就可以實現(xiàn)壓電馬 達的順時針旋轉或者逆時針旋。
權利要求
1.一種電極分割型單驅動雙向壓電馬達，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通過界面力連接在驅動體一側平面的 壓電片；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；所述的壓電片包括兩片相互獨立的壓電片或者包括被空隙分隔的兩個壓電片區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述的電極分割型單驅動雙向壓電馬達，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(jù)權利要求2所述的電極分割型單驅動雙向壓電馬達，其特征在于，所述的驅動 體為柱狀。
4.根據(jù)權利要求3所述的電極分割型單驅動雙向壓電馬達，其特征在于，所述的驅動 體為帶有一側平面的類圓柱、三角形柱、方柱、多邊形柱中的一種。
5.根據(jù)權利要求3所述的電極分割型單驅動雙向壓電馬達，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(jù)權利要求1所述的電極分割型單驅動雙向壓電馬達，其特征在于，所述的兩片 相互獨立的壓電片沿壓電片的中軸面呈鏡像對稱，或者被空隙分隔的兩個壓電片區(qū)域沿 壓電片的中軸面呈鏡像對稱。
7.根據(jù)權利要求1所述的電極分割型單驅動雙向壓電馬達，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(jù)權利要求7所述的電極分割型單驅動雙向壓電馬達，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(fā)明公開了一種電極分割型單驅動雙向壓電馬達，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通過界面力連接在驅動體一側平面的壓電片；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；所述的壓電片包括兩片相互獨立的壓電片或者包括被空隙分隔的兩個壓電片區(qū)域。該壓電馬達體積小且功耗低，對于壓電馬達微型化起到重要的作用。
文檔編號H02N2/12GK102013834SQ20101057695
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權日2010年12月7日
發(fā)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