專利名稱：并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，屬于超聲電機領域。
背景技術：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發(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、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、光學器件以及航空航天等領域具有廣泛的應用前景。傳統(tǒng)的直線型超聲電機對兩相模態(tài)的頻率一致性要求很高，并且由于預壓力的作用，工作模態(tài)頻率將發(fā)生飄移，定子初始設計的模態(tài)頻率對預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)有技術的不足，提供一種并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，其具有速度穩(wěn)定，輸出功率大，結(jié)構緊湊的特點，能夠有效地提高速度的穩(wěn)定性和電機輸出功率。為實現(xiàn)以上的技術目的，本發(fā)明將采取以下的技術方案
一種并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，包括頂板和動子，所述頂板的兩側(cè)對稱安裝兩個定子；所述定子為縱彎夾心式壓電換能器，包括前端蓋、驅(qū)動端、彎振壓電陶瓷組件和縱振壓電陶瓷組件；彎振壓電陶瓷組件通過緊固連接件夾持于前端蓋以及驅(qū)動端之間；縱振壓電陶瓷組件安裝于驅(qū)動端，且縱振壓電陶瓷組件與驅(qū)動端安裝面的相對面安裝驅(qū)動足，同時縱振壓電陶瓷組件與驅(qū)動端的安裝面垂直于彎振壓電陶瓷組件的軸線；各定子通過驅(qū)動足與動子的驅(qū)動面相觸；彎振壓電陶瓷組件、縱振壓電陶瓷片分別與相應的激勵電源連接，以分別對應地促使定子在驅(qū)動足端部產(chǎn)生局部微幅振動模態(tài)、在驅(qū)動端產(chǎn)生一階彎曲振動模態(tài)；所述定子以一階彎曲振動模態(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)。所述動子置于兩定子之間，且動子的一條軸線與兩個定子的對稱線相重合，同時動子的兩側(cè)面分別通過驅(qū)動足與相應的定子相觸。所述彎振壓電陶瓷組件的激勵電源為連續(xù)式方波信號，而縱振壓電陶瓷組件的激勵電源則為間隔式正弦信號；彎振壓電陶瓷組件在連續(xù)式方波信號的激發(fā)下，促使定子在驅(qū)動端產(chǎn)生一階彎曲振動模態(tài)，且連續(xù)式方波信號的激勵頻率與一階彎曲振動模態(tài)的頻率fl相等；縱振壓電陶瓷組件在間隔式正弦信號的激發(fā)下，促使定子在驅(qū)動足產(chǎn)生局部微幅振動模態(tài)，且間隔式正弦信號的激勵頻率與局部微幅振動模態(tài)的頻率f2相等；間隔式正弦信號的間隔頻率與一階彎曲振動模態(tài)的頻率fl接近；各定子利用一階彎曲振動模態(tài)、局部微幅振動模態(tài)，在驅(qū)動足與動子的接觸部位產(chǎn)生非對稱驅(qū)動力，驅(qū)動動子運動。兩定子的間隔式正弦波激勵信號、連續(xù)式方波信號的激勵頻率皆相等，而兩定子的間隔式正弦波激勵信號、連續(xù)式方波信號的時間相位差分別為180°和0°。
局部微幅振動模態(tài)的頻率f2遠大于一階彎曲振動模態(tài)的頻率f I。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)。所述彎振壓電陶瓷組件包括兩片彎振壓電陶瓷片，每一片彎振壓電陶瓷片均配置一片電極片，且每一片彎振壓電陶瓷片均包括兩個極化方向相反的極化區(qū)，同時相鄰兩片彎振壓電陶瓷片的相鄰面的極化區(qū)方向相同；各彎振壓電陶瓷片、電極片交錯地排列在前端蓋和驅(qū)動端之間。所述驅(qū)動足呈圓柱形凸臺狀，該圓柱形凸臺狀 驅(qū)動足的小端與動子相鄰。所述動子為轉(zhuǎn)子，呈圓環(huán)狀設置，兩定子置于轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓中，且兩定子的驅(qū)動足相背設置，各定子的驅(qū)動足與圓轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓面相觸。根據(jù)以上的技術方案，可以實現(xiàn)以下的有益效果
I、本發(fā)明采用兩分區(qū)計劃的彎振壓電陶瓷激發(fā)定子體的彎曲振動，引起驅(qū)動足的前后擺動，作為動子的摩擦驅(qū)動力來源；采用縱振壓電陶瓷激發(fā)驅(qū)動端的局部微幅振動模態(tài)，弓丨起驅(qū)動足部位前進和后退過程的摩擦驅(qū)動力變化；動子在非對稱的摩擦驅(qū)動力作用下發(fā)生定向運動；通過控制局部微幅振動模態(tài)的頻率和幅度，可以達到在較大預壓力的情況下，動子仍能定向運動，具有較高的輸出功率；同時，本發(fā)明采用雙定子并聯(lián)式的結(jié)構，兩定子的驅(qū)動足對稱安置，有助于進一步提高超聲電機的輸出功率；動子安裝在兩個定子中間，其兩側(cè)面分別與定子的兩個驅(qū)動足接觸，有助于提高動子的穩(wěn)定性，增加接觸面積，提高輸出扭矩。2、采用兩組激勵信號分別激勵兩組定子，兩組激勵信號的信號間存在一定的相位差，保證有連續(xù)的推動力作用于動子；動子的運動方向由激勵信號的相位差確定，通過改變兩組激勵信號的相位差實現(xiàn)動子的前進或后退運動；
3、實現(xiàn)減摩作用的振動模態(tài)既可以是局部縱振模態(tài)，又可以是局部彎振模態(tài)，可根據(jù)電機尺寸和具體形狀進行選擇；在結(jié)構沒有發(fā)生變化的情況下，調(diào)節(jié)激勵源的頻率至該模態(tài)頻率，即可激發(fā)相應的振動。


圖I為并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機的結(jié)構細節(jié)圖。圖2是本發(fā)明所述定子的結(jié)構示意 圖3為并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機的驅(qū)動流程圖；其中圖3a2、b2、c2、d2均為第一定子、第二定子的電源激勵信號波形圖；圖3al為對應于圖3a2中t0_tl時刻的第一定子、第二定子振動模態(tài)圖；圖3bl為對應于圖3b2中tl-t2時刻的第一定子、第二定子振動模態(tài)圖；圖3cl為對應于圖3c2中t2-t3時刻的第一定子、第二定子振動模態(tài)圖；圖3dl為對應于圖3d2中t3-t4時刻的第一定子、第二定子振動模態(tài) 圖4為并聯(lián)減摩驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)超聲電機示意圖。圖中標號名稱1、頂板；2、第一定子；前端蓋21 ;緊固螺栓22 ;彎振壓電陶瓷片23 ;電極片24 ;驅(qū)動端25 ;驅(qū)動足26 ;縱振壓電陶瓷片27 ;3、第二定子；4、動子；5、動子運動方向；6、第一定子的接地端；7、第一定子的彎振激勵信號輸入端；8、第二定子的彎振激勵信號輸入端；9、第二定子接地端；10、第一定子的縱振激勵信號輸入端；11、第二定子的縱振激勵信號輸入端；12、第一定子的驅(qū)動足；13、第二定子的驅(qū)動足；14、動子第一側(cè)面；15、動子第二側(cè)面；16、連續(xù)式方波激勵信號；17、間隔式正弦波激勵信號；18、連續(xù)式方波激勵信號；19、間隔式正弦波激勵信號；20、轉(zhuǎn)子；21、轉(zhuǎn)動方向。
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)構示意圖；以下將結(jié)合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術方案。圖I為本發(fā)明所述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機的一種結(jié)構形式，包括頂板I、第一定子2、第二定子3和動子4組成；頂板I的上 表面為固定面,第一定子2和第二定子3對稱地安裝在頂板I的下表面；第一定子2和第二定子3結(jié)構相同，為夾心式壓電換能器結(jié)構，利用彎振式壓電陶瓷片激發(fā)沿X方向的彎曲振動，利用縱振壓電陶瓷片激發(fā)驅(qū)動端部的沿y方向的縱向振動；定子利用一階彎曲振動和端部的局部一階縱向振動，在驅(qū)動足12和13與動子4接觸的位置產(chǎn)生非對稱的驅(qū)動力，驅(qū)動動子4產(chǎn)生定向運動5。所述定子驅(qū)動端的驅(qū)動足為圓柱形凸臺結(jié)構，第一定子2和第二定子3的驅(qū)動足12和13對稱安置；動子5安裝在兩個定子中間，其兩側(cè)面14和15分別與第一定子和B的驅(qū)動足12和13接觸；動子4在兩驅(qū)動足12和13的接觸摩擦力驅(qū)動下，可沿X方向產(chǎn)生前進或后退運動5。如圖2所示，本發(fā)明所述第一定子2/第二定子3由前端蓋21、緊固螺栓22、彎振壓電陶瓷片23、電極片24、驅(qū)動端25和縱振壓電陶瓷27組成；緊固螺栓22穿過前端蓋21，將交錯排列的彎振壓電陶瓷片23和電極片24與驅(qū)動端25連接成一體；每片彎振壓電陶瓷片23均包括兩個極化方向相反的極化區(qū)，兩片彎振壓電陶瓷相鄰面的極化區(qū)位置相同；驅(qū)動足26為一圓柱形凸臺，位于驅(qū)動端25前端的下表面的中心位置；縱振壓電陶瓷片27粘貼在驅(qū)動端25前端的上表面。上述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機的電激勵方式
第一定子2的一階彎曲振動模態(tài)由連續(xù)式的方波信號16激發(fā)，方波信號的激勵頻率與定子的一階彎曲振動模態(tài)頻率相等；第一定子2驅(qū)動端前端的一階局部縱振模態(tài)由間隔式的正弦信號17激發(fā)，間隔頻率與定子的一階彎曲振動模態(tài)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驅(qū)動端前端的一階局部縱振模態(tài)頻率f2相等；為了達到較好的超聲振動減摩效果，結(jié)構設計時要求f2遠大于;第二定子的一階彎曲振動和端部的一階縱向振動，分別由信號18和19激發(fā)；由于兩定子結(jié)構相同，信號18和19的激勵頻率與信號16和17相同；時間相位上,信號18和信號16的相差0° ,信號19和信號17的相差180°。第一定子2彎曲振動的信號輸入端為7，接地端為6，縱向振動的信號輸入端為10，與彎曲振動公用接地端6 ;第二定子3彎曲振動的信號輸入端為8，接地端為9，縱向振動的信號輸入端為11，與彎曲振動公用接地端9。連續(xù)式的方波信號16與信號輸入端7相連，另一路方波信號18與信號輸入端8相連；間隔式的正弦信號17與信號輸入端10相連,另一路間隔式的正弦信號19與信號輸入端11相連。動子的前進過程和交錯激發(fā)的縱向振動與彎曲振動信號如圖3所示，t0到tl時刻，無信號輸入，第一定子2和第二定子3均位于初始位置；tl到t2時刻，高電平信號16和18同時激發(fā)第一定子2和第二定子3的一階彎曲振動模態(tài)，彎曲方向相反，定義為推程，信號輸入端10無信號輸入，信號輸入端11輸入正弦信號19，在超聲縱向振動的作用下，驅(qū)動足13與接觸面15間的推程摩擦力減小，驅(qū)動足12與接觸面14間推程摩擦力較大，帶動動子4前進一段距離；t2到t3時刻，信號輸入端7和8無信號輸入，第一定子2和定子3返回至彎曲前的初始位置，定義為回程，信號輸入端10輸入正弦信號17，信號輸入端11無信號輸入，在超聲縱向振動的作用下，驅(qū)動足13與接觸面15間的回程摩擦力較大，驅(qū)動足12與接觸面14間回程摩擦力減小，帶動動子4繼續(xù)前進一段距離；t3到t4時刻重復tl到t2時刻的運動，如此反復，宏觀上，動子4將產(chǎn)生前進運動。該電機動子的前進或后退由激勵信號的相位差確定信號16和17的180°相位差與信號18和19的0°相位差組合，使電機動子前進運動；信號16和17的0°相位差與信號18和19的180°相位差組合，使電機動子后退運動。作為本申請所述超聲電機的另一種激勵方式，可以通過改變間隔式的正弦信號17、19的激勵頻率，使得各定子的驅(qū)動足產(chǎn)生局部彎振模態(tài)，此時，該局部彎振模態(tài)與相應的間隔式的正弦信號17或者19的激勵頻率一致，因此，該方案起減摩作用的振動模態(tài)為局 部彎振模態(tài)。另外，圖4還展示了一種并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)構形式，第一定子2和第二定子3相對安裝，驅(qū)動足共同指向外側(cè)，轉(zhuǎn)子20取代了做直線運動的動子4，當?shù)谝欢ㄗ?和第二定子3被激勵產(chǎn)生圖示的運動時，將驅(qū)動轉(zhuǎn)子20產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動21。
權利要求
1.一種并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，其特征在于包括頂板和動子，所述頂板的兩側(cè)對稱安裝兩個定子；所述定子為縱彎夾心式壓電換能器，包括前端蓋、驅(qū)動端、彎振壓電陶瓷組件和縱振壓電陶瓷組件；彎振壓電陶瓷組件通過緊固連接件夾持于前端蓋以及驅(qū)動端之間；縱振壓電陶瓷組件安裝于驅(qū)動端，且縱振壓電陶瓷組件與驅(qū)動端安裝面的相對面安裝驅(qū)動足，同時縱振壓電陶瓷組件與驅(qū)動端的安裝面垂直于彎振壓電陶瓷組件的軸線；各定子通過驅(qū)動足與動子的驅(qū)動面相觸；彎振壓電陶瓷組件、縱振壓電陶瓷片分別與相應的激勵電源連接，以分別對應地促使定子在驅(qū)動足端部產(chǎn)生局部微幅振動模態(tài)、在驅(qū)動端產(chǎn)生一階彎曲振動模態(tài)；所述定子以一階彎曲振動模態(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)權利要求I所述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，其特征在于所述動子置于兩定子之間，且動子的一條軸線與兩個定子的對稱線相重合，同時動子的兩側(cè)面分別通過驅(qū)動足與相應的定子相觸。
3.根據(jù)權利要求2所述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，其特征在于所述彎振壓電陶瓷組件的激勵電源為連續(xù)式方波信號，而縱振壓電陶瓷組件的激勵電源則為間隔式正弦信號； 彎振壓電陶瓷組件在連續(xù)式方波信號的激發(fā)下，促使定子在驅(qū)動端產(chǎn)生一階彎曲振動模態(tài)，且連續(xù)式方波信號的激勵頻率與一階彎曲振動模態(tài)的頻率fl相等；縱振壓電陶瓷組件在間隔式正弦信號的激發(fā)下，促使定子在驅(qū)動足產(chǎn)生局部微幅振動模態(tài)，且間隔式正弦信號的激勵頻率與局部微幅振動模態(tài)的頻率f2相等；間隔式正弦信號的間隔頻率與一階彎曲振動模態(tài)的頻率fl接近；各定子利用一階彎曲振動模態(tài)、局部微幅振動模態(tài)，在驅(qū)動足與動子的接觸部位產(chǎn)生非對稱驅(qū)動力，驅(qū)動動子運動。
4.根據(jù)權利要求3所述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，其特征在于兩定子的間隔式正弦波激勵信號、連續(xù)式方波信號的激勵頻率皆相等，而兩定子的間隔式正弦波激勵信號、連續(xù)式方波信號的時間相位差分別為180°和0°。
5.根據(jù)權利要求3所述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，其特征在于局部微幅振動模態(tài)的頻 率f2遠大于一階彎曲振動模態(tài)的頻率fl。
6.根據(jù)權利要求3所述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，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)。
7.根據(jù)權利要求I所述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，其特征在于所述彎振壓電陶瓷組件包括兩片彎振壓電陶瓷片，每一片彎振壓電陶瓷片均配置一片電極片，且每一片彎振壓電陶瓷片均包括兩個極化方向相反的極化區(qū)，同時相鄰兩片彎振壓電陶瓷片的相鄰面的極化區(qū)方向相同；各彎振壓電陶瓷片、電極片交錯地排列在前端蓋和驅(qū)動端之間。
8.根據(jù)權利要求I所述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，其特征在于所述驅(qū)動足呈圓柱形凸臺狀，該圓柱形凸臺狀驅(qū)動足的小端與動子相鄰。
9.根據(jù)權利要求I所述并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，其特征在于所述動子為轉(zhuǎn)子，呈圓環(huán) 狀設置，兩定子置于轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓中，且兩定子的驅(qū)動足相背設置，各定子的驅(qū)動足與圓轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓面相觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種并聯(lián)減摩驅(qū)動式超聲電機，包括頂板和動子，所述頂板的兩側(cè)對稱安裝兩個定子；所述定子為縱彎夾心式壓電換能器，包括前端蓋、驅(qū)動端、彎振壓電陶瓷組件和縱振壓電陶瓷組件；彎振壓電陶瓷組件通過緊固連接件夾持于前端蓋以及驅(qū)動端之間；縱振壓電陶瓷組件安裝于驅(qū)動端，且縱振壓電陶瓷組件與驅(qū)動端安裝面的相對面安裝驅(qū)動足，同時縱振壓電陶瓷組件與驅(qū)動端的安裝面垂直于彎振壓電陶瓷組件的軸線；各定子通過驅(qū)動足與動子的驅(qū)動面相觸；彎振壓電陶瓷組件、縱振壓電陶瓷片分別與相應的激勵電源連接。本發(fā)明具有速度穩(wěn)定，輸出功率大，結(jié)構緊湊的特點，能夠有效地提高速度的穩(wěn)定性和電機輸出功率。
文檔編號H02N2/04GK102751902SQ20121021063
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權日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