一种四足驱动旋转超声波电机的制作方法

本发明涉及压电驱动和压电俘能技术领域，特别涉及一种四足驱动超声波电机。

背景技术：

在近代尖端工业生产领域、科学研究领域以及航空航天等领域，精密机构占有着极其重要的地位，而压电式微型电机是精密机构能在各种工况下正常运行的关键要素，超声波电机也被称为新一代电机。超声波电机具有低速转矩大、结构简单、单位重量输出功率大、无电磁干扰等特点。超声波电机多应用于精密仪器，如数码相机、手机、航天航空等。压电马达的电气参数和机械参数都很优秀，某些特性优于最好的传统电磁式马达，但是也存在输出力、结构等的一些局限性，部分旋转超声波电机的定子与转子之间的预紧力无法有效调整，导致无法有效调节摩擦力，本发明利用弹簧与螺母有效准确地调节预紧力。同时本发明利用具有旋转对称齿的定子，借助于摩擦力驱动锥形转子，降低了压电马达各零件的加工精度，减少了加工成本，提高了压电马达的机械性能。

在公开号为cn109004859a，发明名称为《基于纵振的辐条式转子超生电机及其工作方式》的专利文献中，公开了一种利用贴片式条幅定子产生纵向振动使金属辐条的弯曲势能转换为圆台转子的转动势能的超声波电机，提出了转子在特定条件下也可以产生合成椭圆运动所需的切向运动。但是限位槽以及条幅的加工工艺复杂、加工精度要求高，电机的加工成本较高。

在公开号为cn109525143a，发明名称为《一种径弯复合型片状超声电机及其控制方式》的专利文献中，公开了一种利用内部具有空心凸圆柱并通过梁式波导结构与内径相连接的圆环形金属片构成定子经摩擦驱动转子旋转的超声电机。可实现上下转子相反旋转运动。但是梁式波导结构结构复杂，且定点定时推动转子，驱动效率较低。

目前大多数旋转超声波点机都是借助于接触点产生摩擦耦合来驱动转子旋转的，驱动效率低，而且无法有效调节定子与转子之间的预紧力。本发明采用带倾角的驱动足和锥形转子进行摩擦耦合，实现接触面传递摩擦力，有效提高了驱动效率。

超声波电机还存在结构复杂、加工精度要求高、工艺复杂等问题，对超声波电机的进一步发展造成了阻碍。本发明采用贴片式薄矩形板做定子，结构简单，为超声波电机小型化提供了思路。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种四足驱动旋转超声波电机，从而解决现在技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种四足驱动旋转超声波电机，主要包括定子组件、转子和预压力调整机构，其特征在于：所述转子为锥形金属体3，材料优先选择铝，所述转子外弧面粘接有摩擦材料；所述定子组件包括中空薄矩形板1、驱动足2、压电陶瓷片8，所述驱动足的上端面粘接有摩擦层；所述预压力调整机构包括弹簧6和螺母4.

所述驱动足的数量为4个，焊接于中空矩形板的四个角上，所述驱动足结构中心与中空矩形板结构中心的距离为18—25mm。

所述定子上端的驱动足2端面和水平面的夹角与所述锥形转子3外弧面和垂直面的夹角一致，夹角大小为100--140。

所述锥心转子3采用锥形结构可以有效增加定、转子之间的摩擦耦合面，增加驱动效率，降低转子与驱动足端面之间的弹性形变量，有效减少磨损问题。

所述弹簧6和螺母4构成超声波电机的预紧力调整机构，通过调整螺母的位置，可以调节定、转子之间的预紧力。

所述压电陶瓷片8的数量为4个，压电陶瓷片与中空薄矩形板之间通过导电环氧树脂胶粘接。

更进一步，所述定子组件中驱动足2带倾斜角的端面粘接有a摩擦材料。

更进一步，所述锥形金属转子3与驱动足斜面接触的外弧面粘接有b摩擦材料。

更进一步，所述压电陶瓷片8表面镀层为银，引线的方式为锡焊。

附图说明

图1是四足驱动旋转超声波电机的结构示意图。图中标号名称：1-中空薄矩形板；2-驱动足；3-转子；4-螺母；5-主轴；6-弹簧；7-轴承；8-压电陶瓷片。

图2是压电陶瓷片的极化方向与施加激励信号方式，图中的箭头表示压电陶瓷片的极化方向，由同一引线连接的两片压电陶瓷施加图示激励信号。

图3是四足驱动旋转超声波电机定子组件一个完整周期的变形过程示意图。

图4是施加幅值为20vp-p的两相交变电压作为激励信号，定子一个激励周期的工作模态图。

图5是一个驱动足端面质点的三维运动轨迹。

具体实施方式

为了更清楚地说明本方案的技术特点，下面结合附图对本发明进行详细阐述。

一种四足驱动超声波电机的结构如图1所示，带驱动足2的中空薄矩形板1、转子3、轴承7、弹簧6、螺母4依次套在主轴5上；4个驱动足通过焊接的方式固定在中空薄矩形板的四个角上，驱动足2的结构中心与中空薄矩形板1的结构中心之间的距离为18—25mm。

对于经过极化处理的压电陶瓷片，压电应变常数矩阵d的分量分为3个非零分量d33，d31，d15。本文提出的超声波电机中，粘贴于定子基座上的压电陶瓷片8工作在d31横向振动模态。驱动信号按一定相位差作用于对称的两组压电陶瓷片上表面（如图2所示，箭头代表压电陶瓷片的极化方向），压电陶瓷片8与弹性体粘接的表面接地。在逆压电效应作用下，压电陶瓷片8的横向模态驱动超声波电机定子上端的驱动足2端面产生椭圆轨迹运动，并通过驱动足2与转子3之间的多接触面摩擦耦合推动转子3旋转，实现制动。

四足驱动超声波电机的定子组件由一个固定有四片压电陶瓷片的中空矩形板1和四个驱动足2组成。当在四片压电陶瓷片上施加如图2所示的电压时，中空薄矩形板将产生变形,激发四个驱动足端面x、y、z相振幅，再通过摩擦耦合驱动转子旋转。压电陶瓷片a和压电陶瓷片c施加v0激励电压，压电陶瓷片b和压电陶瓷片d施加v0激励电压，为了更直观地理解超声波电机的驱动原理，将每个振动变形过程分为如图3所示的四个子部：

(1)相角t=0，压电陶瓷片c伸长，压电陶瓷片a收缩，其他两个压电陶瓷片保持不变，此时各驱动足的位移如图3(1)所示。

(2)相角t=/2，压电陶瓷片b伸长，压电陶瓷片d收缩，其他两个压电陶瓷片保持不变，此时各驱动足的位移如图3(2)所示。

(3)相角t=，压电陶瓷片a伸长，压电陶瓷片c收缩，其他两个压电陶瓷片保持不变，此时各驱动足的位移如图3(3)所示。

(4)相角t=/2，压电陶瓷片d伸长，压电陶瓷片b收缩，其他两个压电陶瓷片保持不变，此时各驱动足的位移如图3(4)所示。

以上是定子组件的一个工作周期，可以得出，通过将两个不同的振动进行叠加，每个驱动足端面均形成一个完整的三维椭圆轨迹，如果连续激发图3所示的驱动信号，将使每个驱动足端面产生连续的三维椭圆运动，进而经摩擦耦合驱动转子连续顺时针旋转。

取其中一个驱动足a的端面中心点做分析（见图2），得到了如图5所示的驱动足a的端面中心点的三维运动曲线。

在将两相交流激励电压交换施加后，转子3将产生逆时针旋转运动。

该超声波电机的四个驱动足端面在一个周期中同时驱动转子旋转，驱动效率高，定子组件采用贴片式结构，为超声波电机的小型化提供了思路。

本发明通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式仅用于举例和说明，并非意在将本发明限制在所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均属于本发明的保护范围。