專利名稱：減摩驅動式超聲電機及其復合式定子組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合式定子組件以及采用該定子組件的減摩驅動式超聲電機，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，依靠摩擦力驅動的新型作動器。旋轉型超聲電機屬于超聲電機的一種。與傳統(tǒng)電磁電機相比，超聲電機具有大轉矩質量比、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)的直線型超聲電機要求定子有兩個工作模態(tài)，兩模態(tài)在驅動端部組合后產生橢圓運動，進而推動壓在上面的動子產生直線運動。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。另外，超聲電機的輸出功率受預壓力的限制，如果預壓力值過大，傳統(tǒng)的直線型動子將隨定子一起往復運動，無法實現(xiàn)定向運動。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種超聲電機的復合式定子組件，該復合式定子組件對頻率一致性無特殊要求，便于控制；同時結構緊湊，性能穩(wěn)定，基于該定子組件設計的減摩驅動式超聲電機，相對于現(xiàn)有技術，能夠有效地提高輸出功率。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
一種超聲電機的復合式定子組件，包括前端蓋、驅動端、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動端之間；縱振壓電陶瓷組件安裝于驅動端，且縱振壓電陶瓷組件與驅動端安裝面的相對面安裝驅動足，同時縱振壓電陶瓷組件與驅動端的安裝面垂直于彎振壓電陶瓷組件的軸線。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動端之間。本發(fā)明的另一個技術目的是提供一種采用上述復合式定子組件的減摩驅動式超聲電機，包括轉子和定子組件，所述定子組件為復合式定子組件，包括前端蓋、驅動端、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動端之間；縱振壓電陶瓷組件安裝于驅動端，且縱振壓電陶瓷組件與驅動端安裝面的相對面安裝驅動足，同時縱振壓電陶瓷組件與驅動端的安裝面垂直于彎振壓電陶瓷組件的軸線；該復合式定子組件通過驅動足與動子的驅動面相觸；所述彎振壓電陶瓷組件、縱振壓電陶瓷組件分別與相應的激勵電源連接，以分別對應地促使定子組件在驅動足端部產生局部微幅振動模態(tài)、在驅動端產生一階彎曲振動模態(tài)；所述定子組件以一階彎曲振動模態(tài)作為摩擦驅動力、以局部微幅振動模態(tài)作為摩擦驅動力的減摩模態(tài)。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，促使定子組件在驅動端產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，促使定子組件在驅動足產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；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 ;所述定子組件利用一階彎曲振動模態(tài)、局部微幅振動模態(tài)，在驅動足與動子的接觸部位產生非對稱驅動力，驅動動子運動。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)。 根據(jù)以上的技術方案，與現(xiàn)有技術中常用的其它超聲電機相比，本發(fā)明所述減摩驅動式超聲電機具有以下優(yōu)點
I.結構的創(chuàng)新采用兩分區(qū)計劃的彎振壓電陶瓷激發(fā)定子體的彎曲振動，引起驅動足的前后擺動，作為動子的摩擦驅動力來源；采用縱振壓電陶瓷激發(fā)驅動端的局部縱向振動，引起驅動足部位前進和后退過程的摩擦驅動力變化；動子在非對稱的摩擦驅動力作用下發(fā)生定向運動；通過控制縱向振動的頻率和幅度，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。2.工作模態(tài)的創(chuàng)新
該電機的定子對頻率一致性沒有要求，因此，便于控制；由彎振壓電陶瓷激發(fā)的定子的一階彎曲振動模態(tài)頻率較低，以便獲得驅動足較大的擺動幅度；由縱振壓電陶瓷激發(fā)的驅動端的局部一階縱向振動模態(tài)頻率較高，以便獲得較好的減摩效果；動子的前進或后退由激勵信號的相位差確定,交錯激勵使電機動子前進運動，同時激勵使電機動子后退運動；一階彎曲振動用于推動動子運動，一階局部縱振用于在定子與動子的接觸面上產生減摩作用；通過控制兩組振動的時間相位差，進而在定子與動子接觸面上產生非對稱的驅動力，驅使動子產生定向運動；另外，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；在結構沒有發(fā)生變化的情況下，調節(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為減摩驅動式超聲電機的結構示意圖。圖2為減摩驅動式超聲電機定子的結構分解視圖。圖3為減摩驅動式超聲電機定子工作模態(tài)示意圖圖3-1為定子的一階彎曲振動模態(tài)示意圖；圖3-2為驅動端前端的一階局部縱向振動模態(tài)示意圖。圖中標號名稱1、定子；2、動子；3、動子接觸面；4、動子運動方向；5、定子底面；
6、預壓力；7、前端蓋；8、緊固螺栓；9、彎振壓電陶瓷；10、電極片；11、驅動端；12、驅動足；13、縱振壓電陶瓷；14、定子的一階彎曲振動模態(tài)；15、驅動端前端的局部一階縱振模態(tài)；16、連續(xù)式方波激勵信號；17、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)選實施例的結構示意圖；以下將結合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術方案。如圖I所示，所述電機整體由定子I和與之垂直擺放的動子2組成；定子I的底面5為固定面，定子驅動端11的驅動足12在一定的預壓力6作用下與動子2的驅動面3接觸；動子2可沿y方向做前進或后退的直線運動4 ;如圖2所示，所述定子I由前端蓋7、緊固螺栓8、彎振壓電陶瓷9、電極片10、驅動端11和縱振壓電陶瓷13組成；緊固螺栓8穿過前端蓋7，將交錯排列的彎振壓電陶瓷9和電極片10與驅動端11連接成一體；每片彎振壓電陶瓷9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；驅動足12為一圓柱形凸臺，位于驅動端11前端的下表面的中心位置；縱振壓電陶瓷片13粘貼在驅動端11前端的上表面。定子I的一階彎曲振動模態(tài)14由連續(xù)式的方波信號激發(fā)，方波信號的激勵頻率與定子的一階彎曲振動模態(tài)14頻率相等；定子驅動端11前端的一階局部縱振模態(tài)15由 間隔式的正弦信號激發(fā)，間隔頻率與定子的一階彎曲振動模態(tài)14頻率接近，正弦信號的激勵頻率與驅動端11前端的一階局部縱振模態(tài)15頻率f2相等；為了達到較好的超聲振動減摩效果，結構設計時要求f2遠大于;
如圖3所示，彎曲振動的信號輸入端以A表示，接地端以GND表示，縱向振動的信號輸入端以B表示，與彎曲振動公用接地端GND。交錯激發(fā)的縱向振動與彎曲振動信號，連續(xù)式的方波信號與信號輸入端A相連,間隔式的正弦信號與信號輸入端B相連。t0到tl時刻，信號輸入端A收到頻率為高電平信號，激發(fā)定子I的一階彎曲振動模態(tài)14，信號輸入端B無信號輸入，在預壓力的作用下，驅動足12與接觸面3間存在較大的摩擦力，帶動動子2前進一段距離LI ；tl到t2時刻，信號輸入端A無信號輸入，定子I返回至彎曲前的初始位置，驅動足12帶動動子2返回一段距離L2，由于信號輸入端B收到頻率為f2的正弦激勵信號，激發(fā)驅動端11前端的一階縱向振動模態(tài)15，在超聲縱向振動的作用下，驅動足12與接觸面3間的摩擦力減小，因此L2小于LI。T2到t3時刻重復t0到tl時刻的運動，T3到t4時刻重復tl到t2時刻的運動，如此反復，宏觀上，動子2將產生前進運動。該電機動子的前進或后退由交錯激發(fā)的縱向振動與彎曲振動信號的相位差確定180°相位差代表交錯激勵，使電機動子前進運動；0°相位差代表同時激勵，使電機動子后退運動。作為上述超聲電機的另一種激勵方式，可以通過調整間隔式正弦波激勵信號的激勵頻率，促使定子組件的驅動足端部產生局部彎振模態(tài)，此時，間隔式正弦波激勵信號的激勵頻率與局部彎振模態(tài)頻率一致，因此，定子組件的減摩作用由該局部彎振模態(tài)實現(xiàn)。
權利要求
1.一種超聲電機的復合式定子組件，其特征在于包括前端蓋、驅動端、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動端之間；縱振壓電陶瓷組件安裝于驅動端，且縱振壓電陶瓷組件與驅動端安裝面的相對面安裝驅動足，同時縱振壓電陶瓷組件與驅動端的安裝面垂直于彎振壓電陶瓷組件的軸線。
2.根據(jù)權利要求I所述超聲電機的復合式定子組件，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動端之間。
3.一種采用權利要求I所述復合式定子組件的減摩驅動式超聲電機，包括轉子和定子組件，其特征在于所述定子組件為復合式定子組件，包括前端蓋、驅動端、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動端之間；縱振壓電陶瓷組件安裝于驅動端，且縱振壓電陶瓷組件與驅動端安裝面的相對面安裝驅動足，同時縱振壓電陶瓷組件與驅動端的安裝面垂直于彎振壓電陶瓷組件的軸線；該復合式定子組件通過驅動足與動子的驅動面相觸；所述彎振壓電陶瓷組件、縱振壓電陶瓷組件分別與相應的激勵電源連接，以分別對應地促使定子組件在驅動足端部產生局部微幅振動模態(tài)、在驅動端產生一階彎曲振動模態(tài)；所述定子組件以一階彎曲振動模態(tài)作為摩擦驅動力、以局部微幅振動模態(tài)作為摩擦驅動力的減摩模態(tài)。
4.根據(jù)權利要求3所述的減摩驅動式超聲電機，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，促使定子組件在驅動端產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fI相等；縱振壓電陶瓷組件在間隔式正弦信號的激發(fā)下，促使定子組件在驅動足產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fI接近；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n ;所述定子組件利用一階彎曲振動模態(tài)、局部微幅振動模態(tài)，在驅動足與動子的接觸部位產生非對稱驅動力，驅動動子運動。
5.根據(jù)權利要求4所述的減摩驅動式超聲電機，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)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減摩驅動式超聲電機及其復合式定子組件，該復合式定子組件包括前端蓋、驅動端、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動端之間；縱振壓電陶瓷組件安裝于驅動端，且縱振壓電陶瓷組件與驅動端安裝面的相對面安裝驅動足，同時縱振壓電陶瓷組件與驅動端的安裝面垂直于彎振壓電陶瓷組件的軸線。由于本發(fā)明所述復合式定子組件對頻率一致性無特殊要求，便于控制；同時結構緊湊，性能穩(wěn)定，基于該定子組件設計的減摩驅動式超聲電機，相對于現(xiàn)有技術，能夠有效地提高輸出功率。
文檔編號H02N2/04GK102810997SQ20121021064
公開日2012年12月5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