专利名称：单电信号激励旋转超声电机的制作方法
技术领域：
本发明属于超声电机领域，尤其涉及一种单电信号激励的压电超声电机。
背景技术：
超声马达(Ultrasonic Motor，USM)，又称超声电机，是通过压电材料的逆压电效 应实现电能-机械能转换的机电耦合装置，因其具有体积小、重量轻、噪声小、响应快、无电 磁干扰、环境适应性强等优点，在医疗、航空航天、机器人、MEMS等技术领域得到了日益广泛 的应用。根据振动理论超声电机可分为行波型超声电机和驻波型超声电机，大多数行波和 驻波超声电机都是采用两组压电陶瓷振子激发定子产生具有一定相位差的两个振动模态， 使定子端面质点合成产生椭圆轨迹运动，然后通过摩擦力驱动转子运动。这种超声电机必 须为每组振子配备一套驱动超声电源且要控制两路驱动电源之间的相位差，成本高、控制 复杂、不利于实现微型化。单电信号激励模态转换型超声电机也是超声电机的一种，它是利用一组压电陶瓷 元件的激励，通过特殊结构的模态转换器使定子产生具有两种振动模态分量的复杂振动。 如果这两个振动模态之间存在一定的相位差且频率相近，定子和转子接触界面上定子的端 面质点就会产生椭圆轨迹振动，从而通过定子和转子之间的摩擦获得转子的运动和扭矩。 利用模态转换原理制作的超声电机只需要一组控制电路及其驱动电源，控制驱动系统简 单，制造成本、控制难度均可得到降低。然而现有文献报道的几种类型的基于模态转换型超声电机，存在着结构复杂、制 造困难、对制造装配要求较高、成本较高等问题，这些问题制约了它们在工业生产中的应用。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种新型的单电信号激励模态 转换型超声电机。为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明的技术方案是一种单电信号激励旋转超声电机，包括心轴和依次套设在所述心轴上的一组压电 陶瓷片、窗形错位模态转换器、摩擦盘、轴承、弹簧和螺母，所述压电陶瓷片上连有电极片， 所述心轴、所述压电陶瓷片、所述电极片、所述窗形错位模态转换器构成所述超声电机的定 子部分，所述摩擦盘与所述轴承构成超声电机的转子部分，所述弹簧和所述螺母构成所述 超声电机的转子和定子部分的正压预紧力调整机构。更进一步，所述窗形错位模态转换器与所述心轴通过螺纹联接。更进一步，所述窗形错位模 态转换器由下端圆柱体部分和上端窗形错位部分组 成，其中所述窗形错位部分为一个两端在圆周方向有错位齿槽的圆筒。更进一步，所述心轴由电机后盖板和中心轴组成，所述电机后盖板和所述中心轴为一体化结构。本发明采用单电信号激励工作方式，利用一组压电陶瓷的纵向振动模式实现了定子端面质点的椭圆轨迹运动，驱动转子旋转。采用这种工作机理和结构制作的超声电机只 需要一组控制电路及其驱动电源，控制驱动系统简单，制造容易，并且易于微型化，集成化， 成本低、控制难度小，应用前景广阔。本发明还具有以下优点1.采用单组振子。由于采用单组振子，可以实现采用一路控制驱动信号完成对超声电机的控制，简 化了控制电路结构，控制难度得到降低，并且容易实现控制电路的集成化，进而减小控制电 路体积。提高了可靠性，降低了控制电路成本。2.采用模态转换型定子。通过特殊设计的定子结构形式，实现定子端面质点椭圆轨迹运动。简化了电机的 整体结构，制造容易，制造成本得到降低。对安装要求降低，也利于微型化目标的实现。3.采用夹心式换能器结构。与其它的单激励超声电机相比，本发明所述定子采用夹心式换能器结构，具有功 率容量大的优点。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。图1是本发明的单电信号激励超声电机的装配结构示意图；图2是本发明的单电信号激励超声电机定子中窗形错位模态转换器的结构示意 图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的单电信号激励超声电机，包括心轴1和依次套设在心轴1上 的一组压电陶瓷片3、窗形错位模态转换器4、摩擦盘5、轴承6、弹簧8和螺母7，压电陶瓷片 3上连有电极片2和9，心轴1、压电陶瓷片3、电极片2和9、窗形错位模态转换器4构成超 声电机的定子部分，摩擦盘5与轴承6构成超声电机的转子部分，弹簧8和螺母7构成超声 电机的转子和定子部分的正压预紧力调整机构。其中，窗形错位模态转换器4由两部分组成下端圆柱体部分10和上端窗形错位 部分，其中窗形错位部分可以看作是一个两端在圆周方向有错位齿槽的圆筒，其中驱动齿 13和端面齿14的在圆周方向错位实现了对单向振动的模态转换，使定子端面质点产生椭 圆轨迹运动，从而驱动转子转动。心轴1由电机后盖板11和中心轴12组成，电机后盖板11 和中心轴12为一体化结构。超声电机外径10mm，长度35mm，所用压电陶瓷为PZT-8，尺寸为Φ10Χ Φ5Χ2。圆 环形压电陶瓷片3套在心轴1上，通过心轴1上的外螺纹和窗形错位模态转换器4的内螺 纹，把心轴1的后盖板、压电陶瓷片3、电极片2、9和窗形错位模态转换器4夹紧连接在一 起，摩擦盘5和轴承6通过过盈配合连接一起后套设在心轴1上，通过调节螺母7在心轴上 的位置可以改变弹簧8的压缩量，从而调节电机转子对电机定子的预压力，预压力设定为ΙΟΝ,驱动频率为93ΚΗζ，超声电机运行稳定，散热良好 。
权利要求
一种单电信号激励旋转超声电机，其特征在于包括心轴和依次套设在所述心轴上的一组压电陶瓷片、窗形错位模态转换器、摩擦盘、轴承、弹簧和螺母，所述压电陶瓷片上连有电极片，所述心轴、所述压电陶瓷片、所述电极片、所述窗形错位模态转换器构成所述超声电机的定子部分，所述摩擦盘与所述轴承构成超声电机的转子部分，所述弹簧和所述螺母构成所述超声电机的转子和定子部分的正压预紧力调整机构。
2.根据权利要求1所述的单电信号激励旋转超声电机，其特征在于所述窗形错位模 态转换器与所述心轴通过螺纹联接。
3.根据权利要求2所述的单电信号激励旋转超声电机，其特征在于所述窗形错位模 态转换器由下端圆柱体部分和上端窗形错位部分组成，其中所述窗形错位部分为一个两端 在圆周方向有错位齿槽的圆筒。
4.根据权利要求2所述的单电信号激励旋转超声电机，其特征在于所述心轴由电机 后盖板和中心轴组成，所述电机后盖板和所述中心轴为一体化结构。
全文摘要
本发明公开了一种单电信号激励旋转超声电机，包括心轴和依次套设在所述心轴上的一组压电陶瓷片、窗形错位模态转换器、摩擦盘、轴承、弹簧和螺母，所述压电陶瓷片上连有电极片，所述心轴、所述压电陶瓷片、所述电极片、所述窗形错位模态转换器构成所述超声电机的定子部分，所述摩擦盘与所述轴承构成超声电机的转子部分，所述弹簧和所述螺母构成所述超声电机的转子和定子部分的正压预紧力调整机构。本发明采用单电信号激励工作方式，利用一组压电陶瓷的纵向振动模式实现了定子端面质点的椭圆轨迹运动，驱动转子旋转，具有控制驱动系统简单，制造容易，并且易于微型化，集成化，成本低，控制难度小，应用前景广阔。
文档编号H02N2/10GK101860259SQ201010178689
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者刘自然, 孙月梅, 孟逵, 曹自洋, 李华, 李焕峰, 李艳, 殷振, 谢鸥, 陈兴洲 申请人:苏州科技学院;河南工业大学