專利名稱：一種面內(nèi)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種面內(nèi)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，屬旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及方法的技術(shù)領(lǐng) 域。
技術(shù)背景超聲電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振 動，并通過定、動子之間的摩擦將其轉(zhuǎn)換成動子的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動的新型電機(jī)。其中，現(xiàn)有面 內(nèi)行波超聲電機(jī)采用兩種基本激勵方式一種是利用粘貼在圓環(huán)外圓柱面上的多片壓電陶 瓷片激發(fā)圓環(huán)的面內(nèi)行波，通常需要在圓環(huán)外側(cè)銑出多個平面，破壞了圓環(huán)的軸對稱性，對行 波的形成不利，同時結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，不利于加工；另一種是利用多個相同的縱向振動的振子 激發(fā)圓環(huán)的面內(nèi)行波，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且各個振子的安裝和本身的一致性很難保證。本實用新型的 面內(nèi)行波超聲電機(jī)，采用單個振子激發(fā)圓環(huán)的面內(nèi)行波，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于加工和微、小型 化。同時，由于兩個發(fā)熱區(qū)域(壓電陶瓷單元和摩擦界面)相距較遠(yuǎn)，有利于熱平衡，且無需 軸承和潤滑劑，適于真空環(huán)境使用。在機(jī)器人和空間探測方面具有廣泛應(yīng)用前景。 實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提出一種面內(nèi)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)， 具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于加工和微、小型化的特點，適用于機(jī)器人和空間探測裝備上的應(yīng)用。本專利所采用的技術(shù)原理及方案是一種面內(nèi)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，由同轉(zhuǎn)軸連接的定子組件和轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成，其特 征在于所述定子組件由上至下依次設(shè)置連接圓環(huán)的上振子、第一縱振壓電陶瓷電極片、第 一縱振壓電陶瓷、第二縱振壓電陶瓷電極片、第二縱振壓電陶瓷、限位桿、第一彎振壓電陶 瓷、彎振壓電陶瓷電極片、第二彎振壓電陶瓷和下振子，所述定子組件通過內(nèi)部螺栓固定； 所述轉(zhuǎn)子組件由設(shè)置于圓環(huán)形上振子的圓環(huán)兩側(cè)的兩個同轉(zhuǎn)軸連接的錐形轉(zhuǎn)子以及螺母 和彈簧構(gòu)成，螺母設(shè)置于第二錐形轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)軸上，第二錐形轉(zhuǎn)子與螺母之間設(shè)置彈簧，所 述彈簧提供兩個錐形轉(zhuǎn)子與圓環(huán)之間的預(yù)壓力。本實用新型的有益效果是該種旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)利用單個振子激發(fā)定子圓環(huán)的面內(nèi) 行波，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于微、小型化，特別適用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動；雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，無潤滑 劑，有利在真空環(huán)境中使用；電機(jī)中的兩個熱源(壓電陶瓷片和摩擦界面)間的距離較大， 這對于熱平衡，緩減熱應(yīng)力都有好處，對空間探測等散熱條件較差的情況有一定意義。定子 加工可由普通線切割方法完成，除了兩個轉(zhuǎn)子錐面的同心度要求較高，沒有其他苛刻的制 造精度要求，具有一定推廣價值。

圖1是本超聲電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)示意圖。[0008]圖2是本超聲電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本超聲電機(jī)的電壓驅(qū)動信號輸入端及振型示意圖。圖4是本超聲電機(jī)的摩擦驅(qū)動原理圖。圖1中(a)為定子的前視圖，(b)為立體圖，(C)為兩組壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)圖。圖1 中標(biāo)號及符號名稱1上振子，2限位桿，3下振子，4縱振壓電陶瓷，5彎振壓電陶瓷，6墊片， 7螺栓，8縱振壓電陶瓷電極片，9彎振壓電陶瓷電極片。圖2中(a)為超聲電機(jī)的側(cè)視圖，(b)為立體圖。圖2中標(biāo)號及符號名稱10帶錐 形轉(zhuǎn)子的軸，11錐形轉(zhuǎn)子，12螺母，13彈簧，14墊片。圖3中(a)為電壓驅(qū)動信號的輸入端，(b)為定子的縱振振型，(C)為定子的彎振 振型。圖3中標(biāo)號及符號名稱15、16為縱振壓電陶瓷的驅(qū)動信號輸入端，17、18彎振壓電 陶瓷的驅(qū)動信號輸入端，19縱振時矩形振子部分的振型，20縱振時定子圓環(huán)部分的振型， 21彎振時矩形振子部分的振型，22彎振時定子圓環(huán)部分的振型。圖4中標(biāo)號及符號名稱23質(zhì)點運(yùn)動軌跡，24接觸區(qū)域。工作原理及實施方式
以下結(jié)合附圖具體說明本旋轉(zhuǎn)式超聲電機(jī)的具體實施方式
。本實用新型的面內(nèi)行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)由定子組件和轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成，如圖1和圖2 所示。所述定子組件由1上振子、2限位桿、3下振子、4縱振壓電陶瓷、5彎振壓電陶瓷、6墊 片、7螺栓、8縱振電極瓷片和9彎振電極片組成。上振子的頭部直接設(shè)計成圓環(huán)形狀，如圖 所示，兩組壓電陶瓷4和5、2限位桿(用于限制電機(jī)定子繞轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動)，電極片8和9 通過7螺栓的作用壓在上下兩振子1和3內(nèi)。縱振壓電陶瓷由兩個具有一個電極分區(qū)的陶 瓷片和兩個電極片組成，其在定子中的布局如圖1(c)中的上部分；彎振壓電陶瓷組由兩個 具有兩個電極分區(qū)的陶瓷片和一個電極片組成，其在定子中的布局如圖1(c)中的下部分。 所述轉(zhuǎn)子組件由11帶錐形轉(zhuǎn)子的軸，12錐形轉(zhuǎn)子，13螺母，14彈簧和15墊片組成。11帶錐 形轉(zhuǎn)子的軸是一根中間加工成圓錐臺末端帶螺紋的軸，12錐形轉(zhuǎn)子是一個通孔的圓錐臺。 12錐形轉(zhuǎn)子插入11帶錐形轉(zhuǎn)子的軸內(nèi)，且分別夾在1定子環(huán)的兩側(cè)，通過13螺母擠壓14 彈簧，提供兩圓錐臺與1定子環(huán)之間的預(yù)壓力，定、轉(zhuǎn)子間預(yù)壓力是軸向彈簧力在徑向的分 量。定子的工作模態(tài)設(shè)定為圓環(huán)上兩個正交的同頻同型的η階面內(nèi)彎曲振動模態(tài)，這 里僅以三階彎振模態(tài)為例。定子環(huán)的Btl3模態(tài)(B表示彎曲振動；第一個下標(biāo)表示彎曲振動 的節(jié)圓數(shù)；第二個下標(biāo)表示彎曲振動的節(jié)徑數(shù))，振子縱振陶瓷片通電時，定子呈現(xiàn)如下振 型振子部分的縱向振動呈現(xiàn)出形如圖20所示的L2模態(tài)，具有兩個節(jié)點，此時振子與圓環(huán) 連接處的縱向振動激發(fā)圓環(huán)形如圖21所示的Btl3模態(tài)，它的一個波峰位于連接處；振子彎振 陶瓷片通電時，振子部分的彎曲振動呈現(xiàn)出B4模態(tài)，如圖中的22，具有四個節(jié)點，此時通過 連接處的扭轉(zhuǎn)振動可以激發(fā)圓環(huán)形的Btl3模態(tài)，如圖23所示，它的一個節(jié)點位于圓環(huán)與振子 的連接處。定子圓環(huán)部分的由縱振壓電陶瓷片和彎振陶瓷片分別激發(fā)的兩個Btl3模態(tài)，在空 間上具有η /2的相位差，即相差1/4彎曲波波長。這兩個模態(tài)在空間上相差π /2相位，在時間上π /2的相位差通過在縱振和彎振 壓電陶瓷上分別施加同頻率的正弦和余弦電壓驅(qū)動信號來實現(xiàn)，在圖3(a)中，驅(qū)動信號供 給方式如下，16. E = 0 ；17. E = Vcos (ω t) ；18. E = Vsin (ω t) ；19. E = -Vsin (ω t)。其中V為電壓值，ω為模態(tài)頻率，t為時間。這樣這兩個模態(tài)就可以疊加成沿圓環(huán)行進(jìn)的3階面內(nèi)彎曲行波。當(dāng)行波在圓環(huán)上 傳播時，將使圓環(huán)發(fā)生彈性變形，圓環(huán)內(nèi)壁上的質(zhì)點將沿著一個橢圓軌跡進(jìn)行運(yùn)動，如圖4 中的23所示。定子圓環(huán)兩側(cè)壓有兩個錐形轉(zhuǎn)子，圓環(huán)內(nèi)壁上處于行波波峰處的區(qū)域?qū)⑴c轉(zhuǎn) 子接觸，沿圓周與轉(zhuǎn)子一共有三個接觸區(qū)域，如圖4中的24所示，隨著波的行進(jìn)，三個接觸 區(qū)域也在不斷的行進(jìn)，呈現(xiàn)出連續(xù)接觸的工作方式。依靠圓環(huán)內(nèi)壁質(zhì)點的橢圓運(yùn)動及行波 波峰區(qū)域與錐形轉(zhuǎn)子的摩擦作用，即可驅(qū)動錐形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。為使激勵效果穩(wěn)定及振幅最大化，用于激勵振子縱振的壓電陶瓷安排在縱振節(jié)面 處，用于激勵振子彎振的壓電陶瓷片安排在彎振波峰處。
權(quán)利要求一種面內(nèi)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，由定子組件和轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成，其特征在于所述定子組件由上至下依次設(shè)置連接圓環(huán)的上振子(1)、第一縱振壓電陶瓷電極片、第一縱振壓電陶瓷、第二縱振壓電陶瓷電極片、第二縱振壓電陶瓷、限位桿(2)、第一彎振壓電陶瓷、彎振壓電陶瓷電極片(9)、第二彎振壓電陶瓷和下振子(3)，所述定子組件通過內(nèi)部螺栓固定；所述轉(zhuǎn)子組件由設(shè)置于圓環(huán)兩側(cè)的兩個同轉(zhuǎn)軸連接的第一錐形轉(zhuǎn)子(10)、第二錐形轉(zhuǎn)子(11)以及螺母(12)和彈簧(13)構(gòu)成，螺母(12)設(shè)置于第二錐形轉(zhuǎn)子(11)側(cè)的轉(zhuǎn)軸上，第二錐形轉(zhuǎn)子(11)與螺母(12)之間設(shè)置彈簧(13)，所述彈簧(13)提供第一錐形轉(zhuǎn)子(10)、第二錐形轉(zhuǎn)子(11)與圓環(huán)之間的預(yù)壓力。
專利摘要本實用新型公布了一種面內(nèi)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，所述超聲電機(jī)由定子組件和轉(zhuǎn)子組件組成。定子組件為頭部設(shè)計成圓環(huán)形的矩形夾心式振子，振子內(nèi)通過螺栓緊固兩組起不同激勵作用的壓電陶瓷。轉(zhuǎn)子組件為兩個錐形轉(zhuǎn)子，分別壓在定子圓環(huán)的兩個內(nèi)側(cè)，并由彈簧提供三者之間所需的預(yù)壓力。所述控制方法如下在兩組壓電陶瓷上施加特定的電壓驅(qū)動信號，可激勵出圓環(huán)的兩個特定的振動模態(tài)，疊加成沿圓環(huán)周向行進(jìn)的面內(nèi)彎曲行波，從而使圓環(huán)內(nèi)壁質(zhì)點產(chǎn)生微幅的橢圓運(yùn)動。依靠圓環(huán)內(nèi)壁行波波峰區(qū)域與錐形轉(zhuǎn)子的摩擦作用，即可驅(qū)動錐形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。本實用新型采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，無需軸承和潤滑劑，適于真空環(huán)境使用。
文檔編號H02N2/16GK201656811SQ200920256569
公開日2010年11月24日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者泮振鋒, 王寅, 金家楣, 錢富 申請人:南京航空航天大學(xué)