專利名稱：縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)的制作方法
縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是涉及一種縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)。
背景技術(shù)：
壓電致動(dòng)器利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生大的變形位移，具有響應(yīng)快、頻響高等優(yōu)點(diǎn)。壓電電機(jī)則利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)定子的振動(dòng)能，再通過(guò)摩擦作用把振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)電磁式致動(dòng)器和電機(jī)相比，壓電致動(dòng)器和壓電具有許多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，比如
I、結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度(轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量)大，易于微型化。
2、低速大力矩，無(wú)需齒輪減速機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。
3、響應(yīng)速度快，并且能實(shí)現(xiàn)斷電自鎖。
4、位置和速度控制性好，位移分辨率高。
5、通過(guò)振動(dòng)摩擦進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不產(chǎn)生磁場(chǎng)，亦不受外界磁場(chǎng)干擾， 抗電磁干擾能力強(qiáng)。
6、安靜無(wú)噪聲。電機(jī)工作在超聲頻段，由于不需要齒輪等減速機(jī)構(gòu)，所以可以安靜無(wú)噪聲的運(yùn)行。
7、設(shè)計(jì)靈活，結(jié)構(gòu)形式多樣化。
由于壓電陶瓷的切變壓電常數(shù)d15比壓電常數(shù)d31和d33都要大，相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)k15也比k31和k33大，因此利用壓電陶瓷的切變效應(yīng)構(gòu)造扭轉(zhuǎn)型致動(dòng)器可能獲得更大的位移和力/力矩。在實(shí)踐中出現(xiàn)了利用扭振壓電陶瓷片的縱扭型壓電電機(jī)，其扭轉(zhuǎn)激勵(lì)壓電陶瓷片如圖I所示，其由8個(gè)扇形小片11粘接而成。每個(gè)小片的極化方向如圖1(b)中箭頭的方向。壓電陶瓷上所施加的激勵(lì)電場(chǎng)的方向如圖1(a)中箭頭的方向。利用壓電陶瓷的d15逆壓電效應(yīng)，可在陶瓷片上產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)角110。實(shí)踐證明，縱扭型壓電電機(jī)獲得的扭矩遠(yuǎn)大于其他類型的電機(jī)，如行波型壓電電機(jī)、搖頭型棒狀壓電電機(jī)等。但是，扭振壓電陶瓷片難以產(chǎn)生大的位移。
在致動(dòng)器領(lǐng)域也出現(xiàn)了利用切變型壓電陶瓷構(gòu)造扭轉(zhuǎn)致動(dòng)器的例子。如，魏燕定在實(shí)用新型CN2627281Y中和發(fā)明專利201110399862. 2中，提出了利用切變壓電陶瓷貼片在金屬圓筒上激勵(lì)扭轉(zhuǎn)變形的致動(dòng)器方案。這兩種方案難以構(gòu)造大扭轉(zhuǎn)變形量的致動(dòng)器。
隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)扭轉(zhuǎn)和縱向(軸向)同時(shí)有位移要求的致動(dòng)器需求越來(lái)越多。 利用大位移縱扭型致動(dòng)器構(gòu)造超聲電機(jī)，有助于提供更大的調(diào)速范圍，獲得更好的電機(jī)輸出性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種構(gòu)造對(duì)扭轉(zhuǎn)和縱向(軸向)同時(shí)有較大位移要求的壓電致動(dòng)器，提出了一種縱扭型壓電陶瓷圓筒，并提出了利用該型壓電陶瓷圓筒構(gòu)造縱扭型壓電電機(jī)的方法。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和與預(yù)壓力機(jī)構(gòu)，其中，
定子由縱扭型壓電陶瓷圓筒及一個(gè)或兩個(gè)定子驅(qū)動(dòng)端組成，所述的縱扭型壓電陶瓷圓筒在定子上激勵(lì)出縱扭復(fù)合振動(dòng)，定子通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；
轉(zhuǎn)子貫穿定子并和電機(jī)輸出軸固定在一起；
預(yù)壓力機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)子壓緊在定子驅(qū)動(dòng)端上。
所述的縱扭型壓電陶瓷圓筒由8個(gè)扇形小片粘接組成一個(gè)圓筒，其中4片為縱振激勵(lì)壓電陶瓷片，均分成2組，2組縱振激勵(lì)壓電陶瓷對(duì)稱地沿圓周方向布置，另外4片為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)壓電陶瓷片，也均分成2組，2組扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)壓電陶瓷對(duì)稱地沿圓周方向布置，2組縱振激勵(lì)壓電陶瓷和2組扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)壓電陶瓷間隔布置。
每組壓電陶瓷均由相鄰的2片扇形壓電陶瓷片拼接而成，縱振激勵(lì)壓電陶瓷片均沿周向極化，扭振激勵(lì)壓電陶瓷片均沿軸向極化，同一組中的2片壓電陶瓷片極化方向相反。激勵(lì)時(shí)，每組陶瓷片中間電極接激勵(lì)信號(hào)，兩邊的電極接地。
所述的陶瓷片，側(cè)面的電極翻邊到外圓周表面，以利于引線。
該電機(jī)可以采用一階縱向振動(dòng)和一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的復(fù)合振動(dòng)模態(tài)作為工作模態(tài)。此時(shí)，縱扭型壓電陶瓷筒在定子上激勵(lì)出一階縱向振動(dòng)和一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的復(fù)合振動(dòng)，且兩個(gè)振動(dòng)的相位差為90度。此時(shí)，電機(jī)的定子上有一個(gè)驅(qū)動(dòng)端，一階縱向振動(dòng)和一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的階平面均在中部，因此在定子的中部安裝支撐轉(zhuǎn)子的軸承，并在中部夾持安裝。
該電機(jī)也可采用一階縱向振動(dòng)和二階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的復(fù)合振動(dòng)模態(tài)作為工作模態(tài)，定子可以有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)端。
定子驅(qū)動(dòng)端面上可以開槽，以排除摩擦碎屑。摩擦材料處理在定子上或轉(zhuǎn)子上，或在定子上和轉(zhuǎn)子上處理有不同的摩擦材料，構(gòu)成摩擦副。
激勵(lì)時(shí)，激勵(lì)信號(hào)可以為正弦信號(hào)，也可以為方波信號(hào)。相對(duì)的兩組壓電陶瓷施加相同的激勵(lì)信號(hào)。通常要調(diào)整加在縱振激勵(lì)壓電陶瓷片的激勵(lì)信號(hào)與加在扭振激勵(lì)壓電陶瓷片的激勵(lì)信號(hào)之間的相位差(通常為90度)，以便在定子上激勵(lì)出的縱振和扭振之間的相位差為90度，達(dá)到最佳工作狀態(tài)。
定子在縱扭復(fù)合振動(dòng)的激勵(lì)下，驅(qū)動(dòng)端面上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，定子與轉(zhuǎn)子有規(guī)律地接觸和脫離，在宏觀上形成對(duì)轉(zhuǎn)子單向的摩擦驅(qū)動(dòng)。兩相激勵(lì)信號(hào)交換，即調(diào)整兩相激勵(lì)信號(hào)之間的相位差為相反，則電機(jī)換向。分別調(diào)節(jié)兩相激勵(lì)信號(hào)電壓，可以達(dá)到單獨(dú)調(diào)節(jié)縱、扭變形量的目的，可精細(xì)調(diào)節(jié)電機(jī)的性能。
通常電機(jī)工作在共振狀態(tài)下，以獲得最佳性能。也就是要求定子的一階縱向振動(dòng)和一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)頻率相同，或者定子的一階縱向振動(dòng)和二階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)頻率相同。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用的縱扭型壓電陶瓷筒能夠產(chǎn)生大變形量的縱扭變形，且縱、扭變形量可單獨(dú)調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)方便。由該縱扭型壓電陶瓷筒適宜構(gòu)造高性能的壓電電機(jī)能夠提供連續(xù)的大力矩、較大調(diào)速范圍的精密旋轉(zhuǎn)輸出，本發(fā)明能夠滿足生物、醫(yī)療、微機(jī)械、自動(dòng)控制、光學(xué)鏡頭、機(jī)器人、航空航天和微納操作等場(chǎng)合的應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖I為現(xiàn)有的扭振型壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)示意圖2為縱扭型壓電陶瓷筒的結(jié)構(gòu)示意圖3為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)壓電陶瓷單元的極化、激勵(lì)和組裝方式示意圖。
圖4為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片的變形示意圖5為縱向振動(dòng)壓電陶瓷單元的極化、激勵(lì)和組裝方式示意圖6為縱向振動(dòng)扇形陶瓷片的變形示意圖7為扇形陶瓷片的電極示意圖8為實(shí)施例I中本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖9為實(shí)施例2中本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例I
縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的一階縱振一階扭振復(fù)合模態(tài)縱扭型壓電電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，該電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和與預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，其中，定子由縱扭型壓電陶瓷圓筒、定子匹配端和一個(gè)定子驅(qū)動(dòng)端粘接組成。
縱扭型壓電陶瓷筒20由8片扇形壓電陶瓷片組成。包括扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片21、 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片22、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片25、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片26以及縱向振動(dòng)扇形陶瓷片23、縱向振動(dòng)扇形陶瓷片24、縱向振動(dòng)扇形陶瓷片27、縱向振動(dòng)扇形陶瓷片28，如圖2所示。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片21、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片22組成一組，沿著軸向極化，且極化方向相反。在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片21、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片22的中間電極上施加一個(gè)正向電壓，兩側(cè)電極接地，形成的電場(chǎng)方向如圖3中實(shí)心箭頭的方向。同樣，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片25、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片26組成另一組扭轉(zhuǎn)振動(dòng)陶瓷片，其極化和拼接方式與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片21、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片22 —樣，對(duì)稱布置在相對(duì)的圓周方向，如圖3所示。
在電場(chǎng)的作用下，基于壓電陶瓷的dl5切變逆壓電效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片21 會(huì)產(chǎn)生變形41，產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)角42，如圖4所示。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片21的激勵(lì)電場(chǎng)方向如實(shí)心箭頭所示，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片21的極化方向如空心箭頭所示。
同樣，縱向振動(dòng)扇形陶瓷片27、縱向振動(dòng)扇形陶瓷片28組成一組，沿著周向極化， 且極化方向相反。在縱向振動(dòng)扇形陶瓷片27、縱向振動(dòng)扇形陶瓷片28的中間電極上施加一個(gè)正向電壓，兩側(cè)電極接地，形成的電場(chǎng)方向如圖5中實(shí)心箭頭所示。同樣，縱向振動(dòng)扇形陶瓷片23、縱向振動(dòng)扇形陶瓷片24組成另一組縱振陶瓷片，其極化和拼接方式與縱向振動(dòng)扇形陶瓷片27、縱向振動(dòng)扇形陶瓷片28組一樣，對(duì)稱布置在相對(duì)的圓周方向，如圖5所示。 在電場(chǎng)的作用下，基于壓電陶瓷的d31逆壓電效應(yīng)，縱向振動(dòng)扇形陶瓷片22會(huì)產(chǎn)生變形61， 如圖6所示。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片21等的側(cè)面的電極71翻邊到外圓周表面,如圖7所示。
設(shè)計(jì)時(shí)，將電機(jī)定子的一階縱振模態(tài)頻率和一階扭振模態(tài)頻率設(shè)計(jì)為相同，并設(shè)定為工作頻率。激勵(lì)時(shí)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片21、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片22中間電極和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片25、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扇形陶瓷片26中間電極接正弦激勵(lì)信號(hào)，縱向振動(dòng)扇形陶瓷片23、縱向振動(dòng)扇形陶瓷片24中間電極和縱向振動(dòng)扇形陶瓷片27、縱向振動(dòng)扇形陶瓷片28中間電極接余弦激勵(lì)信號(hào)，將在定子上激勵(lì)出縱扭復(fù)合振動(dòng)。
定子的中部安裝軸承86，用以支撐輸出軸81，輸出軸81貫穿定子，轉(zhuǎn)子84與輸出軸81固定在一起，并通過(guò)彈簧83和卡箍82組成的預(yù)壓力系統(tǒng)，壓緊在定子上的驅(qū)動(dòng)端85。 定子振動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)端85上的驅(qū)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓。定子通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。定子下部還設(shè)有定子匹配端87。由于壓電陶瓷圓筒能提供很大的變形量，即使在非共振狀態(tài)下， 電機(jī)也能低效率工作，但精度不會(huì)降低。
實(shí)施例2
縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的一階縱振二階扭振復(fù)合模態(tài)縱扭型壓電電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，該電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和與預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，其中，定子由縱扭型壓電陶瓷圓筒和兩個(gè)定子驅(qū)動(dòng)端85粘接組成?？v扭型壓電陶瓷筒20的構(gòu)造和工作方式如同實(shí)施例I中的描述。
設(shè)計(jì)時(shí)，將電機(jī)定子的一階縱振模態(tài)頻率和二階扭振模態(tài)頻率設(shè)計(jì)為相同，并設(shè)定為工作頻率。激勵(lì)時(shí)，將在定子上激勵(lì)出一階縱振和二階扭振的復(fù)合振動(dòng)。
電機(jī)采用雙端驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子84和電機(jī)輸出軸81固定在一起，同步旋轉(zhuǎn)。彈簧83和卡箍82組成的預(yù)壓力系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)子84和電機(jī)輸出軸81的驅(qū)動(dòng)端壓緊在依次設(shè)置的兩個(gè)定子驅(qū)動(dòng)端85上，定子通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)輸出軸輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，該壓電電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子和與預(yù)壓力機(jī)構(gòu)，其中，定子由縱扭型壓電陶瓷圓筒及一個(gè)或兩個(gè)定子驅(qū)動(dòng)端組成，所述的扭型壓電陶瓷圓筒在定子上激勵(lì)出縱扭復(fù)合振動(dòng)，定子通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子貫穿定子并和電機(jī)輸出軸固定在一起；預(yù)壓力機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)子壓緊在定子驅(qū)動(dòng)端上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的縱扭型壓電陶瓷圓筒由8個(gè)扇形陶瓷片粘接組成一個(gè)圓筒，其中4片為縱振激勵(lì)壓電陶瓷片， 均分成兩組，沿圓周方向?qū)ΨQ布置，另外4片為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)壓電陶瓷片，也均分成兩組， 沿圓周方向?qū)ΨQ布置，兩組縱振激勵(lì)壓電陶瓷與兩組扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)壓電陶瓷交叉布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的縱振激勵(lì)壓電陶瓷片均沿周向極化，所述的扭振激勵(lì)壓電陶瓷片均沿軸向極化，同組中的兩個(gè)扇形片的極化方向相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的扇形陶瓷片側(cè)面的電極翻邊到外圓周表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，每組扇形陶瓷片的中間電極接激勵(lì)信號(hào)，兩邊的電極接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的定子由縱扭型壓電陶瓷筒、定子匹配端和I個(gè)定子驅(qū)動(dòng)端組成，在定子的中部安裝有支撐轉(zhuǎn)子的軸承。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的縱扭型壓電陶瓷筒在定子上激勵(lì)出一階縱向振動(dòng)和一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的復(fù)合振動(dòng)，兩個(gè)振動(dòng)的相位差為90度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的定子由縱扭型壓電陶瓷筒和2個(gè)定子驅(qū)動(dòng)端組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的縱扭型壓電陶瓷筒在定子上激勵(lì)出一階縱向振動(dòng)和二階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的復(fù)合振動(dòng)，兩個(gè)振動(dòng)的相位差為90度。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，其特征在于，所述的定子和/或轉(zhuǎn)子上設(shè)有摩擦材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及縱扭型壓電陶瓷筒驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和與預(yù)壓力機(jī)構(gòu)，其中，定子由縱扭型壓電陶瓷圓筒和一個(gè)或兩個(gè)定子驅(qū)動(dòng)端組成。壓電陶瓷圓筒由8個(gè)扇形小片粘接組成一個(gè)圓筒，其中4片為縱振激勵(lì)壓電陶瓷片，均分成2組，沿圓周方向?qū)ΨQ布置，另外4片為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)壓電陶瓷片，也均分成2組，沿圓周方向布置，2組縱振激勵(lì)壓電陶瓷和2組扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)壓電陶瓷交叉布置。扭型壓電陶瓷圓筒在定子上激勵(lì)出縱扭復(fù)合振動(dòng)，轉(zhuǎn)子貫穿中空定子和電機(jī)輸出軸固定在一起，預(yù)壓力機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)子壓緊在定子驅(qū)動(dòng)端上，定子通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)H02N2/12GK102931874SQ20121047943
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者鹿存躍, 王俊璞 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)