專利名稱：行波型超聲波電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波電機(jī)，具體涉及高輸出轉(zhuǎn)矩的一種小尺寸的行波型超聲波電 機(jī)。
背景技術(shù)：
超聲波電機(jī)(Ultrasonic Motor簡稱USM)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn) 換能量的新原理電機(jī)。超聲波電機(jī)的定子一般為壓電材料-金屬復(fù)合體，通過向壓電材料 施加超聲頻率的交流電壓激勵，使壓電材料由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生周期形變。在該周期形 變作用下，定子復(fù)合體產(chǎn)生受迫振動并通過接觸摩擦耦合使定子復(fù)合體的振動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn) 子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能。超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用涉及到機(jī)械學(xué)、振動學(xué)、摩擦學(xué)、力學(xué)、壓 電學(xué)、聲學(xué)、材料學(xué)、電力電子和控制理論等多學(xué)科交叉領(lǐng)域。在微電機(jī)領(lǐng)域，超聲波電機(jī)與傳統(tǒng)電磁型電機(jī)相比的顯著優(yōu)勢是其效率較高。特 別是當(dāng)電機(jī)直徑小降到10mm以下，電磁電機(jī)效率顯著下降，而超聲波電機(jī)效率則基本不 變。同時微型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，因此在微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到了廣泛的關(guān)注。但 行波型超聲波電機(jī)的微型化容易遭遇加工困難，輸出力矩較低等技術(shù)瓶頸。如1993年，日 本松下電器股份有限公司嘗試將行波型超聲波電機(jī)微型化，并試制了直徑為10mm的行波 型微型超聲波電機(jī)。但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，傳統(tǒng)壓電片極化模式有效利用率低等原因造 成電機(jī)輸出力矩及輸出功率較小。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)中傳統(tǒng)超聲波電機(jī)的壓電片極化模式有效利用率低等原因造 成電機(jī)輸出力矩及輸出功率較小，本發(fā)明的目的在于提供一種行波型超聲波電機(jī)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種行波型超聲波電機(jī)，包括外殼，底座，由定子基體和膠粘在定子基體一側(cè)的環(huán) 形壓電片組成的定子，轉(zhuǎn)子。底座內(nèi)端面與板簧外圓的卡片連接，一端為轉(zhuǎn)盤形的轉(zhuǎn)子安裝 在外殼內(nèi)，轉(zhuǎn)盤形的轉(zhuǎn)子的輸出軸穿過定子中心及設(shè)有板簧的底座的中心并露出底座外， 圓盤形的定子基體開齒槽端面與轉(zhuǎn)子一個端面的摩擦材料相接觸，板簧內(nèi)圓的定位片鑲嵌 在定子基體端面的定位槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子另一個端面開有等間隔的2個以上齒槽，轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi) 底部向外依次設(shè)有壓緊彈簧和滾珠，外殼底面中心的螺釘壓在滾珠上，外殼底面開槽，槽內(nèi) 對應(yīng)轉(zhuǎn)子另一端面的齒槽位置開有通孔，霍爾元件一面與槽固定連接，另一面與磁鋼片固 定連接。所述的環(huán)形壓電片分為9塊扇形極化區(qū)域。按逆時針方向，第1塊極化區(qū)域中心 角為3 Ji /16，第2塊至第4塊極化區(qū)域中心角為Ji /4，第1塊至第4塊極化區(qū)域相鄰兩區(qū) 域間極化方向相反；第5塊極化區(qū)域中心角為Ji /8，正向或反向極化；第6塊至第8塊極化 區(qū)域中心角為n /4，第9塊極化區(qū)域中心角為3 ji /16，第6塊至第9塊極化區(qū)域相鄰兩區(qū) 域間極化方向相反；其中第1塊極化區(qū)域與第9塊極化區(qū)域的極化方向相反；相鄰極化區(qū)
3域間有等寬度的不極化的隔離區(qū)域。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明行波型超聲波電機(jī)預(yù)緊機(jī)構(gòu)簡單，體積小，對輸出軸的摩擦阻尼很小；能量 密度較電磁型電機(jī)高；改進(jìn)的壓電片極化模式使壓電片有效利用率提高，輸出力矩大；該 結(jié)構(gòu)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)定子直徑15_5mm的小尺寸行波型超聲波電機(jī)，如定子直徑10mm的行波 型超聲波電機(jī)，空載轉(zhuǎn)速達(dá)950r/min以上，堵轉(zhuǎn)力矩達(dá)到9mNm以上。本發(fā)明的電機(jī)具有摩 擦自鎖功能；動態(tài)響應(yīng)特性極高(機(jī)械時間常數(shù)在幾ms以內(nèi))，易于實(shí)現(xiàn)高精度定位控制； 可直接驅(qū)動；用于航空航天領(lǐng)域可減輕系統(tǒng)重量。


圖1是微型行波型超聲波電機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖。圖2是定子基體的主視圖。圖3是圖2定子基體的A-A剖面視圖。圖4是圖2定子基體的B向視圖。圖5是底座主視圖。圖6是圖5底座的D-D剖視圖。圖7是圖5底座的E向視圖。圖8是轉(zhuǎn)子的主視圖。圖9是圖8轉(zhuǎn)子的C-C剖視圖。圖10是壓電片極化模式圖。圖11是板簧結(jié)構(gòu)圖。圖12是外殼的主視圖。圖13是圖12外殼的F-F剖視圖。圖中1、外殼，2、轉(zhuǎn)子，3定子基體，4環(huán)形壓電片，5、板簧，6、底座，7、摩擦材料， 8壓緊彈簧，9滾珠，10、螺釘，11霍爾傳感器，12、磁鋼片，13、定子定位槽，14、定子導(dǎo)線槽， 15、底座導(dǎo)線孔，16、摩擦材料，17、卡片，18、定位片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，一種行波型超聲波電機(jī)，包括外殼1，底座6，由定子基體3和膠粘在 定子基體3 —側(cè)的環(huán)形壓電片4組成的定子，轉(zhuǎn)子2。底座6內(nèi)端面與板簧5外圓的卡片 17連接，如圖11所示，一端為轉(zhuǎn)盤形的轉(zhuǎn)子2安裝在外殼1內(nèi)，轉(zhuǎn)盤形的轉(zhuǎn)子2的輸出軸穿 過定子中心及設(shè)有板簧5的底座6的中心并露出底座6外，圓盤形的定子基體3開齒槽端 面與轉(zhuǎn)子2 —個端面的摩擦材料7相接觸，板簧5內(nèi)圓的定位片18鑲嵌在定子基體3端面 的定位槽13內(nèi)，轉(zhuǎn)子2另一個端面開有等間隔的2個以上齒槽，轉(zhuǎn)子2中心孔內(nèi)底部向外 依次設(shè)有壓緊彈簧8和滾珠9，外殼1底面中心的螺釘10壓在滾珠9上，如圖12、圖13所 示，外殼1底面開槽，槽內(nèi)對應(yīng)轉(zhuǎn)子2另一端面的齒槽位置開有通孔，霍爾元件11 一面與槽 固定連接，另一面與磁鋼片12固定連接。如圖10所示，所述的環(huán)形壓電片4分為9塊扇形極化區(qū)域。按逆時針方向，第1塊極化區(qū)域中心角為3 ji /16，第2塊至第4塊極化區(qū)域中心角為Ji /4，第1塊至第4塊極 化區(qū)域相鄰兩區(qū)域間極化方向相反；第5塊極化區(qū)域中心角為Ji /8，正向或反向極化；第6 塊至第8塊極化區(qū)域中心角為Ji /4，第9塊極化區(qū)域中心角為3 JI /16，第6塊至第9塊極 化區(qū)域相鄰兩區(qū)域間極化方向相反；其中第1塊極化區(qū)域與第9塊極化區(qū)域的極化方向相 反；相鄰極化區(qū)域間有等寬度的不極化的隔離區(qū)域。圖10中“ + ”、“_”符號表示極化方向相 反。無符號表示未極化。如圖2、圖3、圖4所示，所述的圓盤形的定子基體3的齒槽為20_40個。如圖5、圖6、圖7所示，底座6中心開有通孔；通孔附近開有底座導(dǎo)線孔15，用于 引出電線；底座6內(nèi)端面開有定位槽，定位槽與板簧5外圓的卡片17連接。如圖8、圖9所示，所述的轉(zhuǎn)子2另一個端面的齒槽為2-16個。所述的預(yù)緊機(jī)構(gòu)由螺釘10，滾珠9及壓緊彈簧8構(gòu)成。壓緊彈簧8位于轉(zhuǎn)子2的 轉(zhuǎn)盤上的直槽內(nèi)，滾珠9位于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)盤上的錐形孔內(nèi)，螺釘10通過外殼的螺孔與滾組接 觸，通過旋緊和放松螺釘增加和減少定子與轉(zhuǎn)子間的預(yù)緊力。通過旋緊或放松螺母調(diào)節(jié)彈 簧的預(yù)緊力，進(jìn)而調(diào)節(jié)定轉(zhuǎn)子間的預(yù)緊力。位置檢測機(jī)構(gòu)由霍爾傳感器11，磁鋼片12及轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)盤上均勻分布的8個齒槽 構(gòu)成。磁鋼片12粘接在霍爾傳感器11 一側(cè)，霍爾傳感器11另一側(cè)粘接如圖12、13所示的 外殼的槽內(nèi)，槽中開有孔。當(dāng)齒或槽經(jīng)過霍爾傳感器11正下方時，霍爾傳感器11輸出不同 電平信號。每兩個相同電平信號的跳變表示轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)過45°角度，通過檢測霍爾傳感器11 相同電平信號跳變以確定轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)過的角度。板簧5具有彈性，用于消除定子基體3與轉(zhuǎn)子2間的接觸誤差。通過在環(huán)形壓電片4上施加兩相頻率為定子諧振頻率，相位相差^！ /2的正弦交流 電壓，激勵定子表面形成行波振動，通過定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
一種微型行波型超聲波電機(jī)，包括外殼(1)，底座(6)，由定子基體(3)和膠粘在定子基體(3)一側(cè)的環(huán)形壓電片(4)組成的定子，轉(zhuǎn)子(2)；其特征在于底座(6)內(nèi)端面與板簧(5)外圓的卡片(17)連接，一端為轉(zhuǎn)盤形的轉(zhuǎn)子(2)安裝在外殼(1)內(nèi)，轉(zhuǎn)盤形的轉(zhuǎn)子(2)的輸出軸穿過定子中心及設(shè)有板簧(5)的底座(6)的中心并露出底座(6)外，圓盤形的定子基體(3)開齒槽端面與轉(zhuǎn)子(2)一個端面的摩擦材料(7)相接觸，板簧(5)內(nèi)圓的定位片(18)鑲嵌在定子基體(3)端面的定位槽(13)內(nèi)，轉(zhuǎn)子(2)另一個端面開有等間隔的2個以上齒槽，轉(zhuǎn)子(2)中心孔內(nèi)底部向外依次設(shè)有壓緊彈簧(8)和滾珠(9)，外殼(1)底面中心的螺釘10壓在滾珠9上，外殼(1)底面開槽，槽內(nèi)對應(yīng)轉(zhuǎn)子(2)另一端面的齒槽位置開有通孔，霍爾元件(11)一面與槽固定連接，另一面與磁鋼片(12)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型行波型超聲波電機(jī)，其特征在于所述的環(huán)形壓電 片(4)分為9塊扇形極化區(qū)域。按逆時針方向，第1塊極化區(qū)域中心角為3^1/16，第2塊至 第4塊極化區(qū)域中心角為Ji/4，第1塊至第4塊極化區(qū)域相鄰兩區(qū)域間極化方向相反；第5 塊極化區(qū)域中心角為n/8，正向或反向極化；第6塊至第8塊極化區(qū)域中心角為JI/4，第9 塊極化區(qū)域中心角為3 JI /16，第6塊至第9塊極化區(qū)域相鄰兩區(qū)域間極化方向相反；其中 第1塊極化區(qū)域與第9塊極化區(qū)域的極化方向相反；相鄰極化區(qū)域間有等寬度的不極化的 隔離區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型行波型超聲波電機(jī)，其特征在于所述的圓盤形的 定子基體(3)的齒槽為20-40個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型行波型超聲波電機(jī)，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子(2) 另一個端面的齒槽為2-16個。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種行波型超聲波電機(jī)。包括外殼，底座，定子和轉(zhuǎn)子。底座內(nèi)端面與板簧外圓的卡片連接，圓盤形轉(zhuǎn)子安裝在外殼內(nèi)，轉(zhuǎn)子的輸出軸穿過定子并伸出底座外，圓盤形定子基體開齒槽端面與轉(zhuǎn)子一個端面的摩擦材料接觸，板簧內(nèi)圓的定位片鑲嵌在定子基體端面的定位槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子另一個端面開有等間隔的2個以上齒槽，轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi)底部向外依次設(shè)有彈簧和滾珠，外殼底面中心的螺釘壓在滾珠上，外殼底面開槽，槽內(nèi)對應(yīng)轉(zhuǎn)子另一端面的齒槽位置開有通孔，霍爾元件一面與槽固定連接，另一面與磁鋼片固定連接。本發(fā)明用于定子直徑為5mm-15mm的行波形超聲波電機(jī)，具有摩擦自鎖功能；動態(tài)響應(yīng)快；可直接驅(qū)動；用于航空航天領(lǐng)域可減輕系統(tǒng)重量。
文檔編號H02N2/16GK101873080SQ20101018068
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者張志銘, 沈潤杰, 王波, 郭吉豐 申請人:浙江大學(xué)