專利名稱:一種單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，包括兩個相同的定子、一個轉(zhuǎn)子和一套正壓預(yù)緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)，定子包括心軸和依次套設(shè)在心軸上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)子包括摩擦盤和軸承；正壓預(yù)緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)包括彈簧和支撐結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型利用直梁和斜梁復(fù)合特殊設(shè)計的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)，通過壓電陶瓷片的縱向振動實(shí)現(xiàn)了定子驅(qū)動齒端面質(zhì)點(diǎn)的橢圓軌跡運(yùn)動，兩個定子分別進(jìn)行工作時，分別驅(qū)動驅(qū)動轉(zhuǎn)子進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，易于微型化，集成化，成本低、控制難度小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。
【專利說明】 一種單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的超聲電機(jī)領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用超聲橢圓振動的單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002]旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展和應(yīng)用的一種新型微電機(jī)，是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換的機(jī)電耦合裝置，通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，直接驅(qū)動負(fù)載。目前已有的旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)中，普遍存在驅(qū)動力矩小，軸向體積大、定轉(zhuǎn)子的內(nèi)外徑接觸區(qū)磨損差別大、工作可靠性低等問題。
[0003]單電信號驅(qū)動模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲電機(jī)也是超聲電機(jī)的一種，它是利用一組壓電陶瓷元件的驅(qū)動，通過特殊結(jié)構(gòu)的模態(tài)轉(zhuǎn)換器使定子產(chǎn)生具有兩種振動模態(tài)分量的復(fù)雜振動。如果這兩個振動模態(tài)之間存在一定的相位差且頻率相近，定子和轉(zhuǎn)子接觸界面上定子的端面質(zhì)點(diǎn)就會產(chǎn)生橢圓軌跡振動，從而通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦獲得轉(zhuǎn)子的運(yùn)動和扭矩。
[0004]在公開號為CN101860259A，發(fā)明名稱為《單電信號激勵旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)》的專利文獻(xiàn)中，公開了一種利用利用窗形錯位模態(tài)轉(zhuǎn)換器將夾心式壓電振子產(chǎn)生的縱向振動轉(zhuǎn)換為驅(qū)動齒質(zhì)點(diǎn)橢圓振動，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的超聲電機(jī)，該發(fā)明控制驅(qū)動系統(tǒng)簡單，裝配容易，但是其窗形錯位模態(tài)轉(zhuǎn)換器制造難度較大，生產(chǎn)成本較高，且其只能進(jìn)行單向旋轉(zhuǎn)，這些問題制約了其在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用。
[0005]在公開號為CN101030740A，發(fā)明名稱為《單相驅(qū)動的彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)》的專利文獻(xiàn)中，公開了一種機(jī)體的結(jié)構(gòu)呈錐狀的單相驅(qū)動駐波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，該電機(jī)依靠六片沿軸向疊合在一起的壓電陶瓷片激發(fā)定子的振動，六片壓電陶瓷片依靠壓緊螺母及壓軸套固定在中軸上。該電機(jī)雖然具有輸出力矩較大等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在壓電陶瓷片的壓緊過程中因壓緊螺母的螺旋運(yùn)動(旋轉(zhuǎn)力)極易造成壓電陶瓷片之間錯位，難以保證相鄰壓電陶瓷片之間錯位60度的技術(shù)要求；此外，該電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間不帶任何定位裝置，這使得定子與轉(zhuǎn)子兩者之間的接觸位置精度受到影響，進(jìn)而影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的穩(wěn)定性；此類旋轉(zhuǎn)超聲電動機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造安裝較困難，成本較高、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的穩(wěn)定性差等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型提供了一種新型的單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，目的是為了克服上述旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)中存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率大，成本低、壽命長、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大的單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)。
[0007]—種單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，包括兩個相同的定子、一個轉(zhuǎn)子和一套正壓預(yù)緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)，定子包括心軸和依次套設(shè)在心軸上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器，心軸和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器通過螺紋聯(lián)接后將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器壓緊固定。同時定子部分也是超聲電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換部分，將超聲電源輸出的超聲電能轉(zhuǎn)換為定子部分的超聲振動能量。
[0008]所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器為一體化結(jié)構(gòu)，包括下端的圓柱體部分和上端的驅(qū)動齒部分，所述驅(qū)動齒部分在圓周方向均布設(shè)置在圓柱體部分的上端，驅(qū)動齒的數(shù)量為3-12個。每個驅(qū)動齒沿徑向方向的投影為直梁和斜梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁的幾何中心軸線和圓柱體部分的軸線平行，直梁的一端與圓柱體部分的前端聯(lián)接，另一端懸伸；斜梁的一端和圓柱體部分的前端偏離直梁軸線的一側(cè)聯(lián)接，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的幾何中心軸線和直梁的幾何中心軸線成0-90度夾角，直梁和斜梁與圓柱體部分的聯(lián)接處均為圓弧過渡聯(lián)接。
[0009]使驅(qū)動齒形成直梁和斜梁復(fù)合結(jié)構(gòu)的目的是為了改變橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的振動模態(tài)，使驅(qū)動齒的縱向振動模態(tài)頻率和彎曲振動模態(tài)頻率接近或相等，由于直梁和斜梁復(fù)合結(jié)構(gòu)的存在，超聲電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的縱向超聲振動在傳遞到斜梁后，在斜梁根部分解為一部分縱向振動分量和一部分彎曲振動分量，當(dāng)斜梁分解的縱向振動分量和彎曲振動分量傳遞到直梁后，和直梁上傳播的縱向振動相復(fù)合，最終在直梁末端形成具有一定相位差的縱向振動分量和彎曲振動分量復(fù)合的超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動齒末端沿超聲電機(jī)圓周切向的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動。
[0010]轉(zhuǎn)子包括摩擦盤和軸承，軸承設(shè)置在摩擦盤內(nèi)部；正壓預(yù)緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)包括彈簧和支撐結(jié)構(gòu)，彈簧一端與一定子的法蘭盤固定，另一端與支撐結(jié)構(gòu)固定。
[0011]所述的兩個定子同軸設(shè)置，且定子上橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動齒端均朝向摩擦盤并和摩擦盤接觸，其中一個定子通過法蘭盤進(jìn)行固定，另一個定子通過法蘭盤和彈簧一端連接，支撐結(jié)構(gòu)聯(lián)接在彈簧另一端，通過調(diào)節(jié)支撐結(jié)構(gòu)的位置，在兩個定子和轉(zhuǎn)子之間形成正壓預(yù)緊力。
[0012]更進(jìn)一步，所述橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動齒末端粘接有A摩擦材料。
[0013]更進(jìn)一步，所述摩擦盤上與驅(qū)動齒相接觸的兩個端面粘接有B摩擦材料。
[0014]更進(jìn)一步，所述后蓋板和所述心軸制作成分體式結(jié)構(gòu)或一體化結(jié)構(gòu)。
[0015]更進(jìn)一步，本實(shí)用新型只需要一路超聲電源輸出信號和控制電路，當(dāng)需要轉(zhuǎn)子向一個方向轉(zhuǎn)動時，將超聲電源輸出的電信號接入到相應(yīng)定子的電極片即可，如果需要轉(zhuǎn)子向另一個方向轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)將該超聲電源輸出的電信號接入到另外一個定子的電極片即可。
[0016]本實(shí)用新型定子采用夾心式換能器結(jié)構(gòu)，利用特殊設(shè)計的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)化器，利用一組壓電陶瓷的縱向振動模式實(shí)現(xiàn)了定子驅(qū)動齒端面質(zhì)點(diǎn)的橢圓軌跡運(yùn)動，兩個定子分別進(jìn)行工作時，可驅(qū)動轉(zhuǎn)子進(jìn)行雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，功率容量大，制造容易，裝配難度低等優(yōu)點(diǎn)；另外本實(shí)用新型只需要一組控制電路及其驅(qū)動電源，控制驅(qū)動系統(tǒng)簡單，制造容易，控制難度小，可靠性高；同時本實(shí)用新型具有體積小、重量輕、易于微型化、集成化、成本低、低速大扭矩、噪聲小、響應(yīng)快、定位精度高、無電磁干擾和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

【附圖說明】

[0017]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本實(shí)用新型的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器三維結(jié)構(gòu)示意圖(無法蘭盤)。
[0019]圖3是本實(shí)用新型的應(yīng)用實(shí)例示意圖。
[0020]圖中標(biāo)號說明:1.心軸，2.后蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.法蘭盤，6.橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器，7.A摩擦材料，8.B摩擦材料，9.摩擦盤，10.軸承，11.彈簧，12.支撐結(jié)構(gòu)，13.超聲電源。

【具體實(shí)施方式】
[0021]結(jié)合圖1、2所示，本實(shí)用新型的單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，包括兩個相同的定子、一個轉(zhuǎn)子和一套正壓預(yù)緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)，定子包括心軸I和依次套設(shè)在心軸I上的后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6，心軸I和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6通過螺紋聯(lián)接后將后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6壓緊固定，所述后蓋板2和所述心軸I為分體式結(jié)構(gòu)。
[0022]橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6為一體化結(jié)構(gòu)，包括下端的圓柱體部分和上端的驅(qū)動齒部分，驅(qū)動齒部分在圓周方向均布設(shè)置在圓柱體部分的上端，驅(qū)動齒的數(shù)量為6個，每個驅(qū)動齒沿徑向方向的投影為直梁和斜梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，每個驅(qū)動齒沿徑向方向的投影為直梁和斜梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁的幾何中心軸線和圓柱體部分的軸線平行，一端與圓柱體部分的前端聯(lián)接，另一端懸伸；斜梁的一端和圓柱體部分的前端偏離直梁軸線的一側(cè)聯(lián)接，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的幾何中心軸線和直梁的幾何中心軸線成30度夾角，直梁和斜梁與圓柱體部分的聯(lián)接處均為圓弧過渡聯(lián)接，圓弧半徑為1mm。
[0023]驅(qū)動齒沿徑向方向投影的直梁寬度為2mm，高度為7mm，驅(qū)動齒沿徑向方向投影的斜梁寬度為1.5mm，驅(qū)動齒末端粘接有A摩擦材料7。
[0024]摩擦盤9和軸承10構(gòu)成超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，摩擦盤9和軸承10通過過渡配合連接一起后套設(shè)在心軸I上，摩擦盤9上與驅(qū)動齒相接觸的兩個端面均粘接有B摩擦材料8 ；
[0025]超聲電機(jī)轉(zhuǎn)子和兩個定子的正壓預(yù)緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)包括彈簧11和支撐結(jié)構(gòu)12，兩個定子同軸設(shè)置，驅(qū)動齒端均朝向摩擦盤9并和摩擦盤9接觸，其中一個定子通過法蘭盤5進(jìn)行固定，另一個定子通過法蘭盤5和彈簧11 一端連接，支撐結(jié)構(gòu)12聯(lián)接在彈簧11另一端，在兩個定子和轉(zhuǎn)子之間形成正壓預(yù)緊力，通過調(diào)節(jié)支撐結(jié)構(gòu)12的位置可以改變彈簧11的壓縮量，從而調(diào)節(jié)超聲電機(jī)定子對轉(zhuǎn)子的預(yù)壓力，預(yù)壓力設(shè)定為SN。
[0026]單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)外徑10mm，長度108mm，所用壓電陶瓷為PZT-8，尺寸為兩個定子的固有頻率均為101.5ΚΗζ，阻抗分別為58和61歐姆，動態(tài)電阻為18和17歐姆，超聲電源13輸出電壓范圍為0-400V，電流范圍為0-4Α，輸出頻率為101.5±0.01ΚΗζ，且超聲電源13在指定頻率范圍內(nèi)具有自動頻率跟蹤功能。
[0027]結(jié)合圖3所示，運(yùn)行時，單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的一個定子的電極片4接入超聲電源13輸出的電信號后，由于壓電陶瓷片3的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片3將會產(chǎn)生縱向超聲振動，即將超聲電源13輸出的電能轉(zhuǎn)換為超聲振動能量，并驅(qū)動整個定子進(jìn)行縱向超聲振動，當(dāng)超聲振動能量從定子傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6驅(qū)動齒末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6驅(qū)動齒末端沿超聲電機(jī)圓周切向的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，驅(qū)動齒末端和摩擦盤9相接觸，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，超聲電機(jī)連續(xù)運(yùn)行30分鐘后，超聲電源13輸出電壓為100V，電流為0.24A，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為536r/min，運(yùn)行狀態(tài)良好。
[0028]當(dāng)需要轉(zhuǎn)子向另一個方向轉(zhuǎn)動時，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)將該超聲電源13輸出的電信號接入到另外一個定子的電極片4即可，另一個定子連續(xù)運(yùn)行30分鐘后，超聲電源13輸出電壓為100V，電流為0.26A，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為541r/min，運(yùn)行狀態(tài)亦良好。
【權(quán)利要求】
1.一種單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，包括兩個相同的定子、一個轉(zhuǎn)子和一套正壓預(yù)緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)，其特征在于:定子包括心軸和依次套設(shè)在心軸上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器，心軸和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器通過螺紋聯(lián)接后將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器壓緊固定；所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器為一體化結(jié)構(gòu)，包括下端的圓柱體部分和上端的驅(qū)動齒部分，下端的圓柱體部分上設(shè)置有可以與外部結(jié)構(gòu)聯(lián)接用的法蘭盤，上端的驅(qū)動齒部分在圓周方向均布設(shè)置在圓柱體部分的上端，驅(qū)動齒的數(shù)量為3-12個，每個驅(qū)動齒沿徑向方向的投影為直梁和斜梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁的幾何中心軸線和圓柱體部分的軸線平行，直梁的一端與圓柱體部分的前端聯(lián)接，另一端懸伸；斜梁的一端和圓柱體部分的前端偏離直梁軸線的一側(cè)聯(lián)接，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的幾何中心軸線和直梁的幾何中心軸線成0-90度夾角，直梁和斜梁與圓柱體部分的聯(lián)接處均為圓弧過渡聯(lián)接；轉(zhuǎn)子包括摩擦盤和軸承；正壓預(yù)緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)包括彈簧和支撐結(jié)構(gòu)；所述的兩個定子同軸設(shè)置，且定子上橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動齒端均朝向摩擦盤并和摩擦盤接觸，其中一個定子通過法蘭盤固定設(shè)置，另一個定子通過法蘭盤和彈簧及支撐結(jié)構(gòu)聯(lián)接，在兩個定子和轉(zhuǎn)子之間形成正壓預(yù)緊力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于:所述后蓋板和所述心軸制作成分體式結(jié)構(gòu)或一體化結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于:所述橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動齒末端粘接有摩擦材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單電信號驅(qū)動雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于:所述摩擦盤上與驅(qū)動齒相接觸的兩個端面粘接有摩擦材料。
【文檔編號】H02N2-12GK204271945SQ201420763831
【發(fā)明者】趙曦, 殷振, 李艷, 曹自洋, 汪幫富, 吳永芝, 莊孝斌, 朱淑梅, 吳陽, 曹慶陽 [申請人]蘇州科技學(xué)院