一种焊接工艺的环形行波超声波电机的制作方法

本发明属于电机技术领域，尤其涉及一种焊接工艺的环形行波超声波电机。

背景技术：

超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激发定子在超声频域振动，通过定子、转子之间的摩擦作用将振动转换成转子的运动输出驱动负载的一种非电磁式电机。与电磁电机相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、低噪声、无电磁干扰、转矩密度大、低速大扭矩、可直接驱动等特点与优势。目前已应用于微型机器人、汽车、航空航天、精密定位仪、光学仪器等多个领域，具有广阔的应用前景。行波旋转型超声波电机是目前技术最成熟、应用最多的一类超声波电机，所使用的压电陶瓷元件均为圆环形结构，并按照一定的要求进行分区极化，结合压电陶瓷元件制造工艺及超声电机定子工艺要求，很难高效率地制造出大尺寸分区极化的压电陶瓷环，这就制约了此类电机的结构适应性，也使得超声波电机的应用受到一定限制。

现有超声波电机定子制造工艺为：将分区极化的压电陶瓷环用环氧树脂胶粘接于齿形结构金属基体上形成定子；以此方法构造的环形行波型超声波电机存在如下局限性：

（1）由于陶瓷环用环氧树脂胶粘接在金属基体上，一方面定子高频振动容易导致胶层老化开裂，马达工作可靠性和寿命较低，另一方面胶层会影响振动在陶瓷环与金属环中的传递效果，马达工作效率低。

（2）相同性能与尺寸的压电陶瓷材料其压电常数d33 >d31,采用环形结构的压电陶瓷工作于横向振动模式，即振动方向与电场方向垂直，利用压电常数d31而不是d33，机电转换效率低。

（3）转子在定子单侧通过摩擦传递运动和力，行波振动能量利用率较低。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明公开了一种焊接工艺的环形行波超声波电机，避免现有超声波电机工作中因发热、振动疲劳导致的胶层开裂的问题，提高马达工作寿命和可靠性；采用双转子夹持定子结构，提高了能效利用率，同时具有较高的机电转换效率。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种焊接工艺的环形行波超声波电机，其包括定子、转子和输出轴，所述定子包括中空的定子板和压电陶瓷模块，所述定子板的中部设有中空的定子环，所述定子环上设有以定子环的轴心为中心、环形分布的焊盘，所述压电陶瓷模块包括N个压电陶瓷元件，所述压电陶瓷元件焊接固定在定子环的焊盘上，所述N为8的倍数；所述定子板与定子环之间设有供定子环振动的间隙，所述定子环通过连接件与定子板连接；所述定子板上还设有驱动电极，所述压电陶瓷元件的相同信号的电极与对应的驱动电极电连接；所述转子位于所述定子环的压电陶瓷模块之上并与压电陶瓷模块的表面接触，所述输出轴穿过定子环的中部与转子连接，所述定子驱动转子旋转形成动力输出。

采用此技术方案，通过哈焊接将压电陶瓷元件焊接固定在定子环上，焊接工艺的可靠性要高于胶粘工艺，可避免现有超声波电机工作中因发热、振动疲劳导致的胶层开裂，提高了超声波电机的工作寿命和可靠性。

其中，所述定子板和定子环优选为弹性基体材质。进一步优选的，所述定子板和定子环采用PCB板制作。

作为本发明进一步的改进，所述定子板、连接件、定子环上均设有印刷电路，所述焊盘通过印刷电路与驱动电极电连接。

作为本发明进一步的改进，所述连接件的数量为两个以上。

优选的，所述连接件以定子环的轴心线为中心对称分布，所述连接件的宽度为0.5~3mm。

作为本发明进一步的改进，所述连接件的数量为三个，所述连接件的宽度为0.8~1.5mm。进一步优选的，所述连接件的宽度为0.9~1.1mm。

作为本发明进一步的改进，所述连接件为支撑连接铰链。

作为本发明进一步的改进，所述压电陶瓷元件的电极面与定子环的环面垂直，形成纵向振动。

对相同的压电陶瓷材料而言，纵向振动利用d33，横向振动利用d31，而d33比d31大一个数量级左右，采用此技术方案，PZT电极面与定子环面垂直形成纵向振动，利用压电材料的d33，具有较高的机电转换效率。

作为本发明进一步的改进，所述压电陶瓷元件按照设定的驱动方法对应的极化方向排列，固定在定子环上，并焊接在定子环的焊盘上；所述压电陶瓷元件之间的电极通过焊锡焊接在一起，并使所述定子环上由压电陶瓷元件组成的环面的上表面平整。

优选的，所述压电陶瓷元件通过红胶固定在定子环上。

优选的，所述压电陶瓷元件焊接后，经过打磨，将定子板上由压电陶瓷元件和焊锡组成的环面打磨平整，且保持两面环的高度一致。采用此技术方案，连接更可靠。，

作为本发明进一步的改进，所述转子的数量为两个，所述定子环的两面均设有焊盘，两面的焊盘均焊接有压电陶瓷元件，所述定子环的正、反两面由压电陶瓷元件组成的环面高度相同；所述两个转子同时与定子环的两面接触，所述输出轴穿过定子环的中部、并与两个转子连接，形成动力输出。

现有行波超声波电机采用单转子接触齿形定子的结构，此技术方案采用双转子夹持定子结构，两个转子同时与定子的两面接触形成动力输出，相当于增加了转子与定子之间的接触面积，双转子夹持定子比单转子接触定子的接触面积高一倍，提高摩擦驱动能力，其能效利用率较高。

作为本发明进一步的改进，定子板和定子环采用PCB板制作，按照4相驱动或2相驱动方法，将相同信号电极连接在一起的方式布置连接电路；压电陶瓷元件按照驱动方法对应的极化方向排列规律用贴片机将压电陶瓷用红胶固定在定子板上，然后在压电陶瓷元件之间的电极焊盘上涂覆锡膏，经过回流焊工艺或波峰焊工艺完成压电陶瓷元件焊接，之后经过打磨，将定子板两面由压电陶瓷元件和焊锡组成的环面打磨平整，且保持两面环的高度一致。将粘贴有平板弹簧的转子板夹住定子板，输出轴穿过转子板中央平板弹簧的孔，另一端用螺母固定；调节螺母位置，改变两转子板对定子板的预紧力大小。

作为本发明进一步的改进，所述压电陶瓷元件在焊盘上的排列规律为：所述定子环正面的两个压电陶瓷元件为一组，定子环反面的两个压电陶瓷元件是对应的一组，所述定子环正面压电陶瓷元件的极化正极位置对应定子环反面压电陶瓷元件的极化负极位置，所述定子环反面压电陶瓷元件的极化正极对应正面压电陶瓷元件的极化负极位置，定子环正、反两面对应的压电陶瓷元件的电极通过电路电连接。

其中，所述定子环正、反两面对应的压电陶瓷元件的电极通过定子板上的金属化孔的电路连接。

作为本发明进一步的改进，所述压电陶瓷元件及电极包括4组驻波驱动单元，分别为单元A、单元B、单元C和单元D，每个单元均包括定子环正面的两个压电陶瓷元件和定子环反面的两个压电陶瓷元件，所述压电陶瓷元件按照单元A、单元B、单元C、单元D依次排列，并循环设置在定子环的正、反面上；

所述单元A和单元B中，所述定子环正面的两个压电陶瓷元件的极化正极均朝着两个压电陶瓷元件的连接处，所述定子环反面的两个压电陶瓷元件的极化正极位于两个压电陶瓷元件的外侧；

所述单元C和单元D中，所述定子环正面的两个压电陶瓷元件的极化负极朝着两个压电陶瓷元件的连接处，即定子环正面的两个压电陶瓷元件的极化正极位于两个压电陶瓷元件的外侧，所述定子环反面的两个压电陶瓷元件的极化正极均朝着两个压电陶瓷元件的连接处；

所述驱动电极包括SIN端、COS端和GND端，所述单元A中位于定子环正面的极化正极与SIN端连接，所述单元B中位于定子环正面的极化正极与COS端连接，所述单元C中位于定子环正面的极化负极与SIN端连接，所述单元D中位于定子环正面的极化负极与COS端连接；所述单元D中位于定子环正面、在远离单元C的压电陶瓷元件的极化正极与GND端连接。

采用上述技术方案，压电陶瓷元件及电极依次分成4组驻波驱动单元A、B、C、D，依次施加SIN、COS、-SIN、-COS信号；正面的A、B组中PZT极化正极靠近激励信号，C、D组中PZT极化负极靠近激励信号；反面与正面对应位置的PZT极化方向相反，形成两相驱动。

作为本发明进一步的改进，所述压电陶瓷元件及电极包括4组驻波驱动单元，分别为单元a、单元b、单元c和单元d，每个单元均包括定子环正面的两个压电陶瓷元件和定子环反面的两个压电陶瓷元件，所述压电陶瓷元件按照单元a、单元b、单元c、单元d依次排列，并循环设置在定子环的正、反面上；

所述单元a、单元b、单元c、单元d中，所述定子环正面的两个压电陶瓷元件的极化正极均朝着两个压电陶瓷元件的连接处，所述定子环反面的两个压电陶瓷元件的极化正极位于两个压电陶瓷元件的外侧，即所述定子环反面的两个压电陶瓷元件的极化负极均朝着两个压电陶瓷元件的连接处；

所述驱动电极包括SIN端、COS端和GND端，所述单元a中位于定子环正面的极化正极与SIN端连接输入SIN信号，所述单元b中位于定子环正面的极化正极与COS端连接输入COS信号，所述单元c中定子环正面的极化正极与SIN端连接输入-SIN信号，所述单元d中定子环正面的极化正极与COS端连接输入-COS信号；所述单元d中位于定子环正面、并远离单元c的压电陶瓷元件的极化负极与GND端连接。

采用此技术方案，压电陶瓷元件及电极依次分成4组驻波驱动单元a、b、c、d，其中a、c两组施加SIN信号，b、d两组施加COS信号激励；定子环正面各组中PZT极化正极靠近激励信号，反面与正面对应位置的PZT极化方向相反，形成四相驱动。

作为本发明进一步的改进，所述转子包括转子板，所述转子板的中部设有平板弹簧，所述输出轴穿过平板弹簧的中心孔后通过螺母固定。

本发明可易于将定子轴向叠加形成大扭力输出，或在同一个定子板上焊接制造多个电机定子，形成多个电机阵列驱动，满足特定场合应用需求；现有超声波电机结构形式单一，不易于扩展。

作为本发明进一步的改进，所述转子有两个，分别位于定子的上下两侧，所述定子采用以下步骤制备：先将所述压电陶瓷元件按照驱动方法对应的极化方向排列，并用贴片机将压电陶瓷元件用红胶固定在定子板上，然后在压电陶瓷元件之间的电极焊盘上涂覆锡膏，经过回流焊工艺或波峰焊工艺完成压电陶瓷元件焊接；然后将定子板两面由压电陶瓷元件和焊锡组成的环面打磨平整，且保持正反两面的环面的高度一致。采用此技术方案，方法简单，容易实施和控制，一致性和稳定性高。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，本发明的技术方案，将若干个压电陶瓷元件按照与驱动信号匹配关系配置，采用贴片焊接的方法将其焊接于基体上，焊接工艺可靠性高于胶粘工艺，避免了现有超声波电机工作中因发热、振动疲劳导致的胶层开裂，提高马达工作寿命和可靠性。

第二，现有技术中，行波超声波电机采用单转子接触齿形定子的结构，而本发明的技术方案采用双转子夹持定子结构，两个转子同时与定子的两面接触形成动力输出，相当于增加了转子与定子之间的接触面积，提高摩擦驱动能力，其具有较高的能效利用率。

第三，本发明的技术方案将压电陶瓷元件焊接在PCB板上，PZT电极面与定子环面垂直形成纵向振动，利用压电材料的d33，其具有较高机电转换效率。

附图说明

图1是本发明实施例1的焊接工艺的环形行波超声波电机的分解结构示意图。

图2是本发明实施例1的图1中Ⅰ部分转子板的结构示意图。

图3是本发明实施例1的图1中Ⅱ部分定子板的结构示意图。

图4是本发明实施例1的两相驱动压电陶瓷的排列规律图。

图5是本发明实施例2的四相驱动压电陶瓷排列规律图。

图6是本发明定子板环形面变形规律图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

如图1~图3所示，一种焊接工艺的环形行波超声波电机，其包括定子1、转子2和输出轴3，所述定子1包括中空的定子板11和压电陶瓷模块，所述定子板11的中部设有中空的定子环12，所述定子环12上设有环形分布的焊盘，所述压电陶瓷模块包括N个压电陶瓷元件13，所述压电陶瓷元件13焊接固定在定子环12的焊盘上，所述N为8的倍数；所述定子板11与定子环12之间设有供定子环12振动的间隙14，所述定子环12通过支撑连接铰链15与定子板11连接。优选的，所述支撑连接铰链15的数量为三个，所述支撑连接铰链15以定子环12的轴心线为中心对称分布，所述支撑连接铰链15的宽度为0.8~1.5mm。优选的，所述支撑连接铰链15为三个。

如图1~图3所示，所述转子2包括转子板21，所述转子板21的中部粘贴设有平板弹簧22，将粘贴有平板弹簧22的转子板21夹住定子板11，输出轴3穿过定子环12的中部，再穿过转子板21的中央平板弹簧22中部的孔后用螺母4固定；调节螺母4位置，改变两转子2板对定子板11的预紧力大小。

如图1~图3所示，所述定子板11、支撑连接铰链15、定子环12采用PCB板制作，所述定子板11、支撑连接铰链15、定子环12上均设有印刷电路，所述印刷电路与焊盘连接，所述定子板11上还设有驱动电极16，所述压电陶瓷元件13的相同信号的电极通过印刷电路与对应的驱动电极16电连接。所述压电陶瓷元件13的PZT电极面与定子环12的环面垂直，形成纵向振动。所述压电陶瓷元件13按照设定的驱动方法对应的极化方向排列，通过红胶5固定在定子环12上，并焊接在定子环12的焊盘上；所述压电陶瓷元件13之间的电极通过焊锡焊接在一起，并使所述定子环12上由压电陶瓷元件13组成的环面的上表面平整。

如图1~图3所示，所述转子2的数量为两个，所述定子环12的两面均设有焊盘，压电陶瓷元件13按照驱动方法对应的极化方向排列规律用贴片机将压电陶瓷元件13用红胶5固定在定子环12上，然后在压电陶瓷元件13之间的电极焊盘上涂覆锡膏，经过回流焊工艺或波峰焊工艺完成压电陶瓷元件13的焊接，形成焊锡电极17，之后经过打磨，将定子环12两面由压电陶瓷元件13和焊锡电极17组成的环面打磨平整，且保持所述定子环12的正、反两面由压电陶瓷元件13组成的环面高度相同。所述两个转子2同时与定子环12的两面接触，所述输出轴3穿过定子环13的中部、并与两个转子2连接，形成动力输出。

如图4所示，所述压电陶瓷元件13在焊盘上的排列规律为：所述定子环12正面的两个压电陶瓷元件13为一组，定子环12反面的两个压电陶瓷元件13是对应的一组，所述定子环12正面压电陶瓷元件13的极化正极131位置对应定子环12反面压电陶瓷元件13的极化负极132位置，所述定子环12反面压电陶瓷元件13的极化正极131对应正面压电陶瓷元件13的极化负极132位置，定子环12正、反两面位置对应的压电陶瓷元件13的电极通过定子环12上的金属化孔电路进行电连接。

如图4所示，按照两相驱动方法，将相同信号电极连接在一起的方式布置连接电路。具体而言，所述压电陶瓷元件13包括4组驻波驱动单元，分别为单元A、单元B、单元C和单元D，每个单元均包括定子环12正面的两个压电陶瓷元件13和定子环12反面的两个压电陶瓷元件13，所述压电陶瓷元件13按照单元A、单元B、单元C、单元D依次排列，并循环设置在定子环12的正、反面上；

单元A和单元B中，所述定子环12正面的两个压电陶瓷元件13的极化正极131均朝着两个压电陶瓷元件13的连接处，即极化正极131相对，极化负极132远离；所述定子环12反面的两个压电陶瓷元件13的极化正极131位于两个压电陶瓷元件13的外侧，即极化负极132相对，极化正极131远离；

单元C和单元D中，所述定子环12正面的两个压电陶瓷元件13的极化负极132均朝着两个压电陶瓷元件13的连接处，即极化负极132相对，极化正极131远离；所述定子环12反面的两个压电陶瓷元件13的极化正极131均朝着两个压电陶瓷元件13的连接处，即极化正极131相对，极化负极132远离；

所述驱动电极16包括SIN端、COS端和GND端，所述单元A中位于定子环12正面的极化正极131与SIN端连接，所述单元B中位于定子环12正面的极化正极131与COS端连接，所述单元C中位于定子环12正面的极化负极132与SIN端连接，所述单元D中位于定子环12正面的极化负极132与COS端连接；所述单元D中位于定子环12正面、在远离单元C的压电陶瓷元件13的极化正极131与GND端连接。

实施例2

在实施例1的基础上，本例采用四相驱动方法，所述定子环12上压电陶瓷元件13在焊盘上的排列规律和信号连接方式与实施例1不同，具体为：

如图5所示，所述压电陶瓷元件13及电极包括4组驻波驱动单元，分别为单元a、单元b、单元c和单元d，每个单元均包括定子环12正面的两个压电陶瓷元件13和定子环12反面的两个压电陶瓷元件13，所述压电陶瓷元件13按照单元a、单元b、单元c、单元d依次排列，并循环设置在定子环12的正、反面上；

所述单元a、单元b、单元c、单元d中，所述定子环12正面的两个压电陶瓷元件13的极化正极131均朝着两个压电陶瓷元件13的连接处，即极化正极131相对，极化负极132远离；所述定子环12反面的两个压电陶瓷元件13的极化负极132均朝着两个压电陶瓷元件13的连接处，即极化负极132相对，极化正极131远离；

所述驱动电极16包括SIN端、COS端和GND端，所述单元a中位于定子环12正面的极化正极131与SIN端连接输入SIN信号，所述单元b中位于定子环12正面的极化正极131与COS端连接输入COS信号，所述单元c中定子环12正面的极化正极131与SIN端连接输入-SIN信号，所述单元d中定子环12正面的极化正极131与COS端连接输入-COS信号；所述单元d中位于定子环12正面、并远离单元c的压电陶瓷元件的极化负极132与GND端连接。

实施例1和实施例2的两种驱动方法，即两相驱动和四相驱动，在单个行波波长内，根据压电陶瓷材料的逆压电效应，每个压电陶瓷元件13都将产生变形，使定子环12上形成如图6所示的变形规律，其中，实施例2四相驱动中的单元a、b、c、d分别对应图6中的A、B、C、D；根据环形行波超声波马达工作原理，该定子1能驱动转子2旋转。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。