专利名称：微小型减摩驱动式旋转超声电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转超声电机，尤其是一种包括扭振、纵振两个工作模态的微小型减摩驱动式旋转超声电机，属于超声电机领域。
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，依靠摩擦力驱动的新型作动器。旋转型超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有大转矩质量比、快速响应、精密定位和无电磁干扰等优点，在生物医疗、精密驱动、光学器件以及航空航天等领域具有广泛的应用前景。传统的直线型超声电机要求定子有两个工作模态，两模态在驱动端部组合后产生 椭圆运动，进而推动压在上面的转子产生直线运动。该类型的超声电机对两相模态的频率一致性要求很高，并且由于预压力的作用，工作模态频率将发生飘移，定子初始设计的模态频率对预压力的敏感度通常不一致，因此，造成电机控制困难，输出效率低等现象。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种微小型减摩驱动式旋转超声电机，与相同体积的传统型超声电机相比，电机本体具有结构紧凑，性能稳定，输出功率较大的特点。为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案
一种微小型减摩驱动式旋转超声电机，包括定子和转子，所述定子包括金属环板，该金属环板的板面一侧设置环形凸缘，而金属环板的板面另一侧则安装压电陶瓷；所述压电陶瓷包括纵振压电陶瓷和扭振压电陶瓷，纵振压电陶瓷的安装部位与环形凸缘相对，扭振压电陶瓷的安装部位位于纵振压电陶瓷的内侧；纵振压电陶瓷、扭振压电陶瓷分别与相应的激励电源连接，以分别对应地促使定子在纵振压电陶瓷安装部位的相对端产生局部微幅振动模态、在扭振压电陶瓷安装部位的相对端产生一阶扭转振动模态；所述定子以一阶扭转振动模态作为摩擦驱动力、以局部微幅振动模态作为摩擦驱动力的减摩模态。所述扭振压电陶瓷的激励电源为连续式方波信号，且扭振压电陶瓷在连续式方波信号激励下，促使定子在扭振压电陶瓷安装部位的相对端产生一阶扭转振动模态，所述连续式方波信号的激励频率与定子的一阶扭转振动模态频率fl相等；纵振压电陶瓷的激励电源为间隔式正弦信号，且间隔式正弦信号的间隔频率与一阶扭转振动模态频率fl接近，纵振压电陶瓷在间隔式正弦信号激励下，在纵振压电陶瓷安装部位的相对端产生局部微幅振动模态，该局部微幅振动模态的频率f2与间隔式正弦信号的激励频率相等。所述局部微幅振动模态为一阶局部弯振模态或者一阶局部纵振模态。局部微幅振动模态的频率f2远大于一阶扭转振动模态频率fI。所述环形凸缘与金属环板的外缘齐平。根据以上的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点
I、本发明采用扭振压电陶瓷激发定子体产生扭转振动，引起定子外沿上表面的来回转动，作为转子的摩擦驱动力来源；采用纵振压电陶瓷激发定子外沿的局部纵向振动或者局部弯曲振动，引起外沿上表面正/反转过程的摩擦驱动力变化；转子在非对称的摩擦驱动力作用下发生定向转动；通过控制纵向振动或者弯曲振动的频率和幅度，可以达到在较大预压力的情况下，转子仍能定向运动，具有较高的输出功率；
2、本发明所述旋转电机的定子对频率一致性没有要求，因此，便于控制；由扭振压电陶瓷激发的定子的一阶扭转振动模态频率较低，以便获得外沿上表面较大的转动角度；由纵振压电陶瓷激发的定子外沿的一阶纵向振动或者一阶弯曲振动模态频率较高，以便获得较好的减摩效果；转子的转动方向由激励信号的相位差确定，交错激励使电机转子定向转动，同时激励使电机转子反方向转动。
图1-1为本发明所述微小型减摩驱动式旋转超声电机的立体结构示意图； 图1-2为本发明所述微小型减摩驱动式旋转超声电机的剖面结构示意图。图2-1为本发明所述微小型减摩驱动式旋转超声电机定子的一阶扭转振动模态示意 图2-2为本发明所述微小型减摩驱动式旋转超声电机定子外沿的一阶局部纵向振动丰旲态不意图。图3为本发明所述微小型减摩驱动式旋转超声电机定子的信号端示意图。图4为本发明所述微小型减摩驱动式旋转超声电机定子交错激发信号图。图中标号名称1、定子；2、转子；3、转动轴；4、金属环板；5、扭振压电陶瓷；6、纵振压电陶瓷；7、定子底部侧面；8、转子下表面；9、定子外沿的上表面；10、转子运动方向；
11、预压力；12、一阶扭转振动模态；13、一阶局部纵振模态；14、扭振激励信号输入端；15接地端；16、纵振激励信号输入端；17、连续式方波信号；18、间隔式正弦波激励信号。
具体实施例方式附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。如图1-1、1-2所示，所述电机整体由定子I和转子2组成；定子I的底部侧面7为固定面；转子2的转动轴3下端插入定子中央的定位孔，上端施加一定的预压力11，保持转子2下表面8与定子I外沿的上表面9接触；转子2可沿中心轴做周向顺时针或逆时针的旋转运动10 ；
所述定子I由金属环板4，扭振压电陶瓷5，纵振压电陶瓷6粘接组成；金属环板4中央有一用于安放转轴的定位通孔，中部为薄板结构，外侧有一凸台形的外沿；扭振压电陶瓷5粘贴在金属环板4下表面的内侧，纵振压电陶瓷6粘贴在正队凸台形外沿的金属环板4下表面的外侧；转子2为薄板形结构，中间有一细长形的转轴3，周围均布的四个圆孔用于减
轻转子自身重量。如图2-1、2_2所示，定子的激励元件包括扭振压电陶瓷片5和纵振压电陶瓷片6 ；金属环板外沿的纵向振动15起到超声振动减小摩擦力的作用，金属环板的一阶扭转振动模态12使得外沿上表面9在周向上来回转动；扭转振动12采用连续式的方波信号17激发，纵向振动13采用间隔式的正弦信号18激发；交错激发纵向振动与扭转振动，外沿上表面9在前进过程中的摩擦驱动力较大，后退过程中由于纵向的超声振动，摩擦驱动力减小，造成了驱动力的非对称现象，宏观上，转子将产生定向转动；相反，同时激发纵向运动与扭转振动，转子将产生相反方向的转动。定子I的一阶扭转振动模态12由连续式的方波信号17激发，方波信号的激励频率与定子的一阶扭转振动模态12频率相等；定子外沿的一阶局部纵振模态13由间隔式的正弦信号18激发，间隔频率与定子的一阶扭转振动模态12频率接近，理论上，间隔频率与定子的一阶弯曲振动模态频率应该相等，但基于实际工程操作，两者较为接近即可；正弦信号的激励频率与定子外沿的一阶局部纵振模态13频率f2相等；为了达到较好的超声振动减摩效果，结构设计时要求f2远大于;
如图3所示，扭转振动的信号输入端为14，接地端为15，纵向振动的信号输入端为16，与扭转振动公用接地端15。交错激发的纵向振动与扭转振动信号，连续式的方波信号17与信号输入端14相连，间隔式的正弦信号18与信号输入端16相连。如图4所示，t0到tl时亥IJ，信号输入端14收到频率为高电平信号，激发定子I的一阶扭转振动模态12，信号输 入端16无信号输入，在预压力的作用下，外沿的上表面9与转子驱动面8间存在较大的摩擦力，带动转子2旋转一定角度Kl ；tl到t2时刻，信号输入端14无信号输入，定子I返回至扭转前的初始位置，外沿的上表面9带动转子2返回一定角度K2，由于信号输入端16收到频率为f2的正弦激励信号，激发定子外沿的一阶纵向振动模态13，在超声纵向振动的作用下，外沿的上表面9与转子驱动面8间摩擦力减小，因此K2小于Kl。t2到t3时刻重复t0到tl时刻的运动，T3到t4时刻重复tl到t2时刻的运动，如此反复，宏观上，转子2将产生定向转动。该电机转子的转动方向由激励信号17和18的相位差确定180°相位差代表交错激励，使电机转子定向转动；0°相位差代表同时激励,使电机转子反方向转动。另外，通过调整间隔式正弦信号18的频率，使得间隔式正弦信号18的频率与定子局部弯振模态频率一致，可以促使定子在纵振压电陶瓷安装部位的相对端产生局部弯振模态，因此，定子的减摩作用由该局部弯振模态实现。
权利要求
1.一种微小型减摩驱动式旋转超声电机，包括定子和转子，其特征在于所述定子包括金属环板，该金属环板的板面一侧设置环形凸缘，而金属环板的板面另一侧则安装压电陶瓷；所述压电陶瓷包括纵振压电陶瓷和扭振压电陶瓷，纵振压电陶瓷的安装部位与环形凸缘相对，扭振压电陶瓷的安装部位位于纵振压电陶瓷的内侧；纵振压电陶瓷、扭振压电陶瓷分别与相应的激励电源连接，以分别对应地促使定子在纵振压电陶瓷安装部位的相对端产生局部微幅振动模态、在扭振压电陶瓷安装部位的相对端产生一阶扭转振动模态；所述定子以一阶扭转振动模态作为摩擦驱动力、以局部微幅振动模态作为摩擦驱动力的减摩模态。
2.根据权利要求I所述微小型减摩驱动式旋转超声电机，其特征在于所述扭振压电陶瓷的激励电源为连续式方波信号，且扭振压电陶瓷在连续式方波信号激励下，促使定子在扭振压电陶瓷安装部位的相对端产生一阶扭转振动模态，所述连续式方波信号的激励频率与定子的一阶扭转振动模态频率fl相等；纵振压电陶瓷的激励电源为间隔式正弦信号，且间隔式正弦信号的间隔频率与一阶扭转振动模态频率fl接近，纵振压电陶瓷在间隔式正弦信号激励下，在纵振压电陶瓷安装部位的相对端产生局部微幅振动模态，该局部微幅振动模态的频率f2与间隔式正弦信号的激励频率相等。
3.根据权利要求2所述微小型减摩驱动式旋转超声电机，其特征在于所述局部微幅振动模态为一阶局部弯振模态或者一阶局部纵振模态。
4.根据权利要求2所述微小型减摩驱动式旋转超声电机，其特征在于局部微幅振动模态的频率f2远大于一阶扭转振动模态频率fl。
5.根据权利要求I所述微小型减摩驱动式旋转超声电机，其特征在于所述环形凸缘与金属环板的外缘齐平。
全文摘要
本发明公开了一种微小型减摩驱动式旋转超声电机，包括定子和转子，所述定子包括金属环板，该金属环板的板面一侧设置环形凸缘，而金属环板的板面另一侧则安装压电陶瓷；所述压电陶瓷包括纵振压电陶瓷和扭振压电陶瓷，纵振压电陶瓷的安装部位与环形凸缘相对，扭振压电陶瓷的安装部位位于纵振压电陶瓷的内侧；纵振压电陶瓷、扭振压电陶瓷分别与相应的激励电源连接。因此，与相同体积的传统型超声电机相比，电机本体具有结构紧凑、性能稳定、输出功率较大的特点。
文档编号H02N2/02GK102751901SQ20121021035
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者胡俊辉, 芦小龙, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学