專利名稱：微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)超聲電機，尤其是一種包括扭振、縱振兩個工作模態(tài)的微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機，屬于超聲電機領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動，依靠摩擦力驅(qū)動的新型作動器。旋轉(zhuǎn)型超聲電機屬于超聲電機的一種。與傳統(tǒng)電磁電機相比，超聲電機具有大轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、快速響應(yīng)、精密定位和無電磁干擾等優(yōu)點，在生物醫(yī)療、精密驅(qū)動、光學(xué)器件以及航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的直線型超聲電機要求定子有兩個工作模態(tài)，兩模態(tài)在驅(qū)動端部組合后產(chǎn)生 橢圓運動，進而推動壓在上面的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生直線運動。該類型的超聲電機對兩相模態(tài)的頻率一致性要求很高，并且由于預(yù)壓力的作用，工作模態(tài)頻率將發(fā)生飄移，定子初始設(shè)計的模態(tài)頻率對預(yù)壓力的敏感度通常不一致，因此，造成電機控制困難，輸出效率低等現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機，與相同體積的傳統(tǒng)型超聲電機相比，電機本體具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，輸出功率較大的特點。為實現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案
一種微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子包括金屬環(huán)板，該金屬環(huán)板的板面一側(cè)設(shè)置環(huán)形凸緣，而金屬環(huán)板的板面另一側(cè)則安裝壓電陶瓷；所述壓電陶瓷包括縱振壓電陶瓷和扭振壓電陶瓷，縱振壓電陶瓷的安裝部位與環(huán)形凸緣相對，扭振壓電陶瓷的安裝部位位于縱振壓電陶瓷的內(nèi)側(cè)；縱振壓電陶瓷、扭振壓電陶瓷分別與相應(yīng)的激勵電源連接，以分別對應(yīng)地促使定子在縱振壓電陶瓷安裝部位的相對端產(chǎn)生局部微幅振動模態(tài)、在扭振壓電陶瓷安裝部位的相對端產(chǎn)生一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)；所述定子以一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)作為摩擦驅(qū)動力、以局部微幅振動模態(tài)作為摩擦驅(qū)動力的減摩模態(tài)。所述扭振壓電陶瓷的激勵電源為連續(xù)式方波信號，且扭振壓電陶瓷在連續(xù)式方波信號激勵下，促使定子在扭振壓電陶瓷安裝部位的相對端產(chǎn)生一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)，所述連續(xù)式方波信號的激勵頻率與定子的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率fl相等；縱振壓電陶瓷的激勵電源為間隔式正弦信號，且間隔式正弦信號的間隔頻率與一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率fl接近，縱振壓電陶瓷在間隔式正弦信號激勵下，在縱振壓電陶瓷安裝部位的相對端產(chǎn)生局部微幅振動模態(tài)，該局部微幅振動模態(tài)的頻率f2與間隔式正弦信號的激勵頻率相等。所述局部微幅振動模態(tài)為一階局部彎振模態(tài)或者一階局部縱振模態(tài)。局部微幅振動模態(tài)的頻率f2遠大于一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率fI。所述環(huán)形凸緣與金屬環(huán)板的外緣齊平。根據(jù)以上的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
I、本發(fā)明采用扭振壓電陶瓷激發(fā)定子體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，引起定子外沿上表面的來回轉(zhuǎn)動，作為轉(zhuǎn)子的摩擦驅(qū)動力來源；采用縱振壓電陶瓷激發(fā)定子外沿的局部縱向振動或者局部彎曲振動，引起外沿上表面正/反轉(zhuǎn)過程的摩擦驅(qū)動力變化；轉(zhuǎn)子在非對稱的摩擦驅(qū)動力作用下發(fā)生定向轉(zhuǎn)動；通過控制縱向振動或者彎曲振動的頻率和幅度，可以達到在較大預(yù)壓力的情況下，轉(zhuǎn)子仍能定向運動，具有較高的輸出功率；
2、本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)電機的定子對頻率一致性沒有要求，因此，便于控制；由扭振壓電陶瓷激發(fā)的定子的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率較低，以便獲得外沿上表面較大的轉(zhuǎn)動角度；由縱振壓電陶瓷激發(fā)的定子外沿的一階縱向振動或者一階彎曲振動模態(tài)頻率較高，以便獲得較好的減摩效果；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向由激勵信號的相位差確定，交錯激勵使電機轉(zhuǎn)子定向轉(zhuǎn)動，同時激勵使電機轉(zhuǎn)子反方向轉(zhuǎn)動。


圖1-1為本發(fā)明所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖1-2為本發(fā)明所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-1為本發(fā)明所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機定子的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)示意 圖2-2為本發(fā)明所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機定子外沿的一階局部縱向振動豐旲態(tài)不意圖。圖3為本發(fā)明所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機定子的信號端示意圖。圖4為本發(fā)明所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機定子交錯激發(fā)信號圖。圖中標號名稱1、定子；2、轉(zhuǎn)子；3、轉(zhuǎn)動軸；4、金屬環(huán)板；5、扭振壓電陶瓷；6、縱振壓電陶瓷；7、定子底部側(cè)面；8、轉(zhuǎn)子下表面；9、定子外沿的上表面；10、轉(zhuǎn)子運動方向；
11、預(yù)壓力；12、一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)；13、一階局部縱振模態(tài)；14、扭振激勵信號輸入端；15接地端；16、縱振激勵信號輸入端；17、連續(xù)式方波信號；18、間隔式正弦波激勵信號。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以下將結(jié)合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖1-1、1-2所示，所述電機整體由定子I和轉(zhuǎn)子2組成；定子I的底部側(cè)面7為固定面；轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)動軸3下端插入定子中央的定位孔，上端施加一定的預(yù)壓力11，保持轉(zhuǎn)子2下表面8與定子I外沿的上表面9接觸；轉(zhuǎn)子2可沿中心軸做周向順時針或逆時針的旋轉(zhuǎn)運動10 ；
所述定子I由金屬環(huán)板4，扭振壓電陶瓷5，縱振壓電陶瓷6粘接組成；金屬環(huán)板4中央有一用于安放轉(zhuǎn)軸的定位通孔，中部為薄板結(jié)構(gòu)，外側(cè)有一凸臺形的外沿；扭振壓電陶瓷5粘貼在金屬環(huán)板4下表面的內(nèi)側(cè)，縱振壓電陶瓷6粘貼在正隊凸臺形外沿的金屬環(huán)板4下表面的外側(cè)；轉(zhuǎn)子2為薄板形結(jié)構(gòu)，中間有一細長形的轉(zhuǎn)軸3，周圍均布的四個圓孔用于減
輕轉(zhuǎn)子自身重量。如圖2-1、2_2所示，定子的激勵元件包括扭振壓電陶瓷片5和縱振壓電陶瓷片6 ；金屬環(huán)板外沿的縱向振動15起到超聲振動減小摩擦力的作用，金屬環(huán)板的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)12使得外沿上表面9在周向上來回轉(zhuǎn)動；扭轉(zhuǎn)振動12采用連續(xù)式的方波信號17激發(fā)，縱向振動13采用間隔式的正弦信號18激發(fā)；交錯激發(fā)縱向振動與扭轉(zhuǎn)振動，外沿上表面9在前進過程中的摩擦驅(qū)動力較大，后退過程中由于縱向的超聲振動，摩擦驅(qū)動力減小，造成了驅(qū)動力的非對稱現(xiàn)象，宏觀上，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生定向轉(zhuǎn)動；相反，同時激發(fā)縱向運動與扭轉(zhuǎn)振動，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生相反方向的轉(zhuǎn)動。定子I的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)12由連續(xù)式的方波信號17激發(fā)，方波信號的激勵頻率與定子的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)12頻率相等；定子外沿的一階局部縱振模態(tài)13由間隔式的正弦信號18激發(fā)，間隔頻率與定子的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)12頻率接近，理論上，間隔頻率與定子的一階彎曲振動模態(tài)頻率應(yīng)該相等，但基于實際工程操作，兩者較為接近即可；正弦信號的激勵頻率與定子外沿的一階局部縱振模態(tài)13頻率f2相等；為了達到較好的超聲振動減摩效果，結(jié)構(gòu)設(shè)計時要求f2遠大于;
如圖3所示，扭轉(zhuǎn)振動的信號輸入端為14，接地端為15，縱向振動的信號輸入端為16，與扭轉(zhuǎn)振動公用接地端15。交錯激發(fā)的縱向振動與扭轉(zhuǎn)振動信號，連續(xù)式的方波信號17與信號輸入端14相連，間隔式的正弦信號18與信號輸入端16相連。如圖4所示，t0到tl時亥IJ，信號輸入端14收到頻率為高電平信號，激發(fā)定子I的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)12，信號輸 入端16無信號輸入，在預(yù)壓力的作用下，外沿的上表面9與轉(zhuǎn)子驅(qū)動面8間存在較大的摩擦力，帶動轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)一定角度Kl ；tl到t2時刻，信號輸入端14無信號輸入，定子I返回至扭轉(zhuǎn)前的初始位置，外沿的上表面9帶動轉(zhuǎn)子2返回一定角度K2，由于信號輸入端16收到頻率為f2的正弦激勵信號，激發(fā)定子外沿的一階縱向振動模態(tài)13，在超聲縱向振動的作用下，外沿的上表面9與轉(zhuǎn)子驅(qū)動面8間摩擦力減小，因此K2小于Kl。t2到t3時刻重復(fù)t0到tl時刻的運動，T3到t4時刻重復(fù)tl到t2時刻的運動，如此反復(fù)，宏觀上，轉(zhuǎn)子2將產(chǎn)生定向轉(zhuǎn)動。該電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向由激勵信號17和18的相位差確定180°相位差代表交錯激勵，使電機轉(zhuǎn)子定向轉(zhuǎn)動；0°相位差代表同時激勵,使電機轉(zhuǎn)子反方向轉(zhuǎn)動。另外，通過調(diào)整間隔式正弦信號18的頻率，使得間隔式正弦信號18的頻率與定子局部彎振模態(tài)頻率一致，可以促使定子在縱振壓電陶瓷安裝部位的相對端產(chǎn)生局部彎振模態(tài)，因此，定子的減摩作用由該局部彎振模態(tài)實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機，包括定子和轉(zhuǎn)子，其特征在于所述定子包括金屬環(huán)板，該金屬環(huán)板的板面一側(cè)設(shè)置環(huán)形凸緣，而金屬環(huán)板的板面另一側(cè)則安裝壓電陶瓷；所述壓電陶瓷包括縱振壓電陶瓷和扭振壓電陶瓷，縱振壓電陶瓷的安裝部位與環(huán)形凸緣相對，扭振壓電陶瓷的安裝部位位于縱振壓電陶瓷的內(nèi)側(cè)；縱振壓電陶瓷、扭振壓電陶瓷分別與相應(yīng)的激勵電源連接，以分別對應(yīng)地促使定子在縱振壓電陶瓷安裝部位的相對端產(chǎn)生局部微幅振動模態(tài)、在扭振壓電陶瓷安裝部位的相對端產(chǎn)生一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)；所述定子以一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)作為摩擦驅(qū)動力、以局部微幅振動模態(tài)作為摩擦驅(qū)動力的減摩模態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機，其特征在于所述扭振壓電陶瓷的激勵電源為連續(xù)式方波信號，且扭振壓電陶瓷在連續(xù)式方波信號激勵下，促使定子在扭振壓電陶瓷安裝部位的相對端產(chǎn)生一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)，所述連續(xù)式方波信號的激勵頻率與定子的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率fl相等；縱振壓電陶瓷的激勵電源為間隔式正弦信號，且間隔式正弦信號的間隔頻率與一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率fl接近，縱振壓電陶瓷在間隔式正弦信號激勵下，在縱振壓電陶瓷安裝部位的相對端產(chǎn)生局部微幅振動模態(tài)，該局部微幅振動模態(tài)的頻率f2與間隔式正弦信號的激勵頻率相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機，其特征在于所述局部微幅振動模態(tài)為一階局部彎振模態(tài)或者一階局部縱振模態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機，其特征在于局部微幅振動模態(tài)的頻率f2遠大于一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率fl。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機，其特征在于所述環(huán)形凸緣與金屬環(huán)板的外緣齊平。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微小型減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子包括金屬環(huán)板，該金屬環(huán)板的板面一側(cè)設(shè)置環(huán)形凸緣，而金屬環(huán)板的板面另一側(cè)則安裝壓電陶瓷；所述壓電陶瓷包括縱振壓電陶瓷和扭振壓電陶瓷，縱振壓電陶瓷的安裝部位與環(huán)形凸緣相對，扭振壓電陶瓷的安裝部位位于縱振壓電陶瓷的內(nèi)側(cè)；縱振壓電陶瓷、扭振壓電陶瓷分別與相應(yīng)的激勵電源連接。因此，與相同體積的傳統(tǒng)型超聲電機相比，電機本體具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、輸出功率較大的特點。
文檔編號H02N2/02GK102751901SQ20121021035
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者胡俊輝, 蘆小龍, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學(xué)