一種雙向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的制作方法
【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單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)的雙向驅(qū)動(dòng)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(guò)定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。因其具有體積小、重量輕、低速大扭矩、噪聲小、響應(yīng)快、定位精度高、無(wú)電磁干擾和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療、航空航天、機(jī)器人、MEMS等技術(shù)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前已有的旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)中，主要采用面外的彎曲振動(dòng)模態(tài)復(fù)合成端面行波，并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，普遍存在驅(qū)動(dòng)力矩小，軸向體積大、定轉(zhuǎn)子的內(nèi)外徑接觸區(qū)磨損差別大等問(wèn)題；另外，即使采用了面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)，為了能夠施加面內(nèi)的徑向預(yù)緊力，振子或轉(zhuǎn)子的圓盤(pán)或圓環(huán)做成兩個(gè)半圓盤(pán)或半圓環(huán)，中間通過(guò)彈簧聯(lián)接成圓盤(pán)或圓環(huán)以施加面內(nèi)的徑向預(yù)緊力，目前也很難實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩，且工作可靠性低。在公開(kāi)號(hào)為CN101030740A，發(fā)明名稱(chēng)為《單相驅(qū)動(dòng)的彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)》的專(zhuān)利文獻(xiàn)中，公開(kāi)了一種機(jī)體的結(jié)構(gòu)呈錐狀的單相驅(qū)動(dòng)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(dòng)，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)，但電動(dòng)機(jī)的六片壓電陶瓷片按極化分區(qū)要相互錯(cuò)開(kāi)60安裝，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在壓電陶瓷片的壓緊過(guò)程中因壓緊螺母的螺旋運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)力)極易造成壓電陶瓷片之間錯(cuò)位，難以保證相鄰壓電陶瓷片之間錯(cuò)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；因而，此類(lèi)旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸位置精度要求高，制造安裝較困難，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的穩(wěn)定性差等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型提供了一種新型的雙向驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單、輸出功率大，成本低、壽命長(zhǎng)、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大的雙向旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)。
[0005]一種雙向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子和定子，轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)盤(pán)和設(shè)置在轉(zhuǎn)盤(pán)表面的摩擦層；定子包括支架、通過(guò)支架固定的兩個(gè)相同的超聲振動(dòng)換能器、兩個(gè)相同的橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)相同的摩擦驅(qū)動(dòng)塊；所述的超聲振動(dòng)換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板上設(shè)置有可與支架聯(lián)接用的法蘭盤(pán)，后蓋板和前蓋板通過(guò)螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊，構(gòu)成了雙向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換部分，將A超聲電源和B超聲電源輸出的超聲電能轉(zhuǎn)換為兩個(gè)超聲振動(dòng)換能器的超聲振動(dòng)能量。
[0006]所述的橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個(gè)整體設(shè)置在前蓋板的前端，或者將橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器焊接設(shè)置在前蓋板的前端，橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器包括直梁和斜梁構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁和斜梁垂直于其中心軸線(xiàn)的截面均為矩形，直梁的中心軸線(xiàn)和超聲振動(dòng)換能器的中心軸線(xiàn)重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板聯(lián)接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板偏離中心軸線(xiàn)的一側(cè)聯(lián)接，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的中心軸線(xiàn)和直梁的中心軸線(xiàn)成0-90度夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯(lián)接處均為圓弧過(guò)渡聯(lián)接。
[0007]橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在超聲振動(dòng)換能器前端后構(gòu)成的組合件稱(chēng)為單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器為直梁和斜梁復(fù)合結(jié)構(gòu)的目的是為了改變單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的振動(dòng)模態(tài)，使其縱向振動(dòng)模態(tài)頻率和彎曲振動(dòng)模態(tài)頻率接近或相等；由于斜梁結(jié)構(gòu)的存在，超聲振動(dòng)換能器產(chǎn)生的縱向超聲振動(dòng)在傳遞到斜梁后，在斜梁根部分解為一部分縱向振動(dòng)分量和一部分彎曲振動(dòng)分量，當(dāng)斜梁分解的縱向振動(dòng)分量和彎曲振動(dòng)分量傳遞到直梁后，和直梁上傳播的縱向振動(dòng)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(dòng)分量和彎曲振動(dòng)分量復(fù)合的超聲橢圓振動(dòng)。
[0008]所述的兩個(gè)摩擦驅(qū)動(dòng)塊分別通過(guò)焊接、粘接或螺釘聯(lián)接方式設(shè)置在兩個(gè)橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端，兩個(gè)摩擦驅(qū)動(dòng)塊分別與轉(zhuǎn)盤(pán)上的摩擦層相接觸。兩個(gè)超聲振動(dòng)換能器通過(guò)支架和超聲振動(dòng)換能器的法蘭盤(pán)聯(lián)接在一起，且支架用來(lái)固定定子和安裝預(yù)壓力裝置，將定子和轉(zhuǎn)子連接成一整體構(gòu)成雙向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，經(jīng)法蘭盤(pán)固定后的兩個(gè)超聲振動(dòng)換能器軸線(xiàn)之間夾角為20度~160度。
[0009]在未加超聲電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)前，兩個(gè)橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器前端的摩擦驅(qū)動(dòng)塊同時(shí)與轉(zhuǎn)子接觸。
[0010]工作時(shí)，其中一個(gè)超聲振動(dòng)換能器懸浮，另外一個(gè)超聲振動(dòng)換能器工作。即是:向需要懸浮的超聲振動(dòng)換能器電極片送入直流負(fù)電壓信號(hào)，利用壓電效應(yīng)使該超聲振動(dòng)換能器軸向收縮，進(jìn)而使橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器前端的摩擦驅(qū)動(dòng)塊懸浮在轉(zhuǎn)子上。向另外一個(gè)需進(jìn)行驅(qū)動(dòng)工作的超聲振動(dòng)換能器送入超聲正弦電信號(hào)，該超聲振動(dòng)換能器即產(chǎn)生超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)能量從超聲振動(dòng)換能器傳遞到橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)；并驅(qū)動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)塊和橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端一起做超聲橢圓振動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0011]當(dāng)需要轉(zhuǎn)子向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，交換兩個(gè)超聲振動(dòng)換能器的超聲電信號(hào)驅(qū)動(dòng)方式即可。相比現(xiàn)有文獻(xiàn)介紹的雙向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，該旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)具有功率容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易、成本低、結(jié)構(gòu)剛度大、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單和振動(dòng)工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
[0012]更進(jìn)一步，所述的雙向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的兩個(gè)超聲振動(dòng)換能器均分別有一組縱向振動(dòng)壓電陶瓷片。
[0013]更進(jìn)一步，所述的雙向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的兩個(gè)超聲振動(dòng)換能器均分別需一路超聲電信號(hào)激勵(lì)。
[0014]本實(shí)用新型采用了機(jī)械振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)理把超聲振動(dòng)換能器的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換分解為直梁的縱向振動(dòng)、斜梁的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)分量，最終在直梁末端合成為縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)，簡(jiǎn)化了雙向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了振動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了制造、裝配難度和生產(chǎn)成本，整個(gè)雙向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，成本低；另外該實(shí)用新型的兩個(gè)超聲振動(dòng)換能器均只需一路超聲電信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，控制難度低，避免了多相超聲振動(dòng)復(fù)合形成橢圓振動(dòng)換能器的復(fù)雜超聲電源開(kāi)發(fā)費(fèi)用，簡(jiǎn)化了控制電路及超聲電源結(jié)構(gòu)，降低了控制電路及超聲電源成本，減小了控制電路及超聲電源體積，易于實(shí)現(xiàn)控制電路及超聲電源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本實(shí)用新型的應(yīng)用實(shí)例示意圖。
[0017]圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明:1.螺栓，2.后蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.前蓋板，6.法蘭盤(pán)，7.橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器，8.轉(zhuǎn)盤(pán)，9.摩擦