一种面内旋转型行波超声电机以及驱动器的制作方法

本发明涉及超声电机领域，具体而言，涉及一种面内旋转型行波超声电机以及驱动器。

背景技术：

面内旋转型行波超声电机作为一种新型能量转换装置,利用压电陶瓷材料的逆压电效应激发金属弹性体(定子)产生高频微幅振动，同时利用定子、转子接触界面上的摩擦力将定子的微幅振动转化为转子的宏观运动，以此实现电能向机械能的转换。

超声电机与传统的电磁电机相比有许多独特的优点，包括结构紧凑、低速大扭矩、低噪声运行、断电自锁、毫秒级快速响应、电磁兼容性好、位移和速度控制性好，可实现微米级甚至纳米级的定位精度等。与传统的电磁电机相比有着广阔的应用前景。

然而现有的超声电机大都采用面外振动模态，定子、转子之间沿轴向接触，在这种情况下，必然不利于把电机做得很薄，即轴向体积大。现有的许多薄片式电子产品需要不仅体积小，而且还要尽可能薄型化的电机。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种面内旋转型行波超声电机，其具有薄型化，体积小，重量轻，结构简单，驱动力矩大，效率高的优点。

本发明的另一目的在于提供一种驱动器，其能够具有体积小，驱动效率高的优点。

本发明的实施例是这样实现的：

一种面内旋转型行波超声电机，其包括定子、转子、转轴及壳体组成；转子为中空的圆柱形且设有一个腔体，定子为中空的圆台形，定子固定连接于壳体，转子套接固定于转轴，定子外径较小的一端嵌套入转子的腔体中，转轴转动连接于壳体。

在本发明较佳的实施例中，还包括压电陶瓷，压电陶瓷连接于定子的内表面，压电陶瓷的引线通过定子与壳体之间的空隙引出。

在本发明较佳的实施例中，上述压电陶瓷的高度与定子的高度相同。

在本发明较佳的实施例中，上述定子包括有多个定子齿，多个定子齿间隔分布于定子的外周侧。

在本发明较佳的实施例中，在安装状态下，上述定子完全嵌入转子的腔体中，转子的侧壁与定子的定子齿相贴合。

在本发明较佳的实施例中，在安装状态下，上述转子的腔体的深度大于定子的高度。

在本发明较佳的实施例中，上述定子外径较大的一端设有至少一个支撑件，定子与壳体之间通过支撑件相连。

在本发明较佳的实施例中，上述支撑件为四个，优选地，四个支撑件设于定子外径较大的一端的中间位置且按照圆周等间距排列。

在本发明较佳的实施例中，还包括有碟簧和卡簧，碟簧和卡簧连接于转子外径较小的一端。

一种驱动器，其包括上述面内旋转型行波超声电机。

本发明实施例的有益效果是：

本发明提供的一种面内旋转型行波超声电机，转子中空的圆柱形且设有一个腔体，定子为中空的圆台形，定子外径较小的一端嵌套入转子的腔体中，定子与转子呈薄片状，减小了轴向体积，适用于很多薄片式电子产品，且圆台形的定子与转子相嵌，将转子对定子的轴向预压力转化成周向预紧力，定子的圆周转动带动转子转动，得到大的驱动力矩，定子与转子的结构便于加工，实用性强。本发明还提供一种驱动器，其包含上述面内旋转型行波超声电机，具有体积小，驱动率高的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的面内旋转型行波超声电机在第一视角下的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的面内旋转型行波超声电机在第二视角下的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的面内旋转型行波超声电机中的定子的结构示意图；

图4为本发明第一实施例提供的面内旋转型行波超声电机中的压电陶瓷极化分区俯视图。

图中：10-壳体；20-定子；21-定子齿；30-轴承；40-支撑件；50-压电陶瓷；60-转子；61-腔体；70-碟簧；80-卡簧；90-转轴；100-面内旋转型行波超声电机。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

第一实施例

请参照图1及附图2，本实施例提供的一种面内旋转型行波超声电机100，其包括定子20、转子60、转轴90及壳体10。

进一步地，转子60为中空的圆柱形且设有一个腔体61，定子20为中空的圆台形，定子20包括外径较大的一端和外径较小的一端。定子20设置为圆台形的目的在于圆台形的定子20可嵌入转子60中，一方面节省占有空间面积，同时又将转子60对定子20的轴向预压力转变成周向预紧力，定子20的圆周转动带动转子60转动，得到大的驱动力矩。

进一步地，请参照附图3，圆台形的定子20包括一个外周侧，定子20包括多个定子齿21，多个定子齿21间隔分布于定子20的外周侧上。在本实施例中，多个定子齿21之间的间隔相等，换言之，多个定子齿21均匀地分布于定子20的外周侧。定子齿21的形状大小与定子20及转子60的形状大小相匹配。

具体而言，定子20外径较小的一端嵌套入转子60的腔体61内。在安装状态下，转子60的腔体61的深度大于定子20的高度，换言之，定子20的上表面和转子60的下表面形成封闭的空腔，在轴向上没有直接接触，避免转子60将轴向预压力传递给定子20。

进一步地，在安装状态下，定子20完全嵌入转子60的腔体61中，转子60的侧壁与定子20的定子齿21相贴合。具体地，当定子20与转子60嵌合后，定子20外径较大的一端的端面与转子60的下端的端面持平，且定子20的外周侧为斜面，转子60的侧壁的端部为与定子20的外周侧及定子齿21相匹配的斜壁。定子齿21的设置能够增加振动幅度，可以通过更改多个定子齿21的尺寸，满足面内旋转型行波超声电机100不同性能的需求。

进一步地，定子20固定连接于壳体10。具体而言，定子20外径较大的一端设有至少一个支撑件40，定子20与壳体10之间通过支撑件40相连。在本实施例中，一共设置四个支撑件40，四个支撑件40设于定子20外径较大的一端的中间位置且按照圆周等间距排列，四个支撑件40比较稳固，支撑件40均匀地分布使受力更加均匀。且支撑件40为矩形薄板，支撑件40的一端与定子20相连，另一端与壳体10相连。需要说明的是，在其他实施例中，支撑件40的个数、尺寸形状和排列位置可以根据实际情况选择性设置。

进一步地，面内旋转型行波超声电机100还包括压电陶瓷50。压电陶瓷50连接于定子20的内表面，压电陶瓷50的引线通过定子20与壳体10之间的空隙引出。

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的信息功能陶瓷材料，具有压电性。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，以致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，面内旋转型行波超声电机100是利用压电陶瓷50的逆压电效应，即对压电陶瓷50施加电压，压电陶瓷50产生机械应力，电能转换成机械能。高频电信号加在压电陶瓷50上时，则产生高频声信号(机械振动)，即超声波信号。

进一步地，压电陶瓷50的高度与定子20的高度相同。具体地，压电陶瓷50设于定子20的内表面，节省了轴向上的占有空间，使面内旋转型行波超声电机100更加紧凑小巧。这样设置，压电陶瓷50能使定子20外周侧的定子齿21产生周向和径向的位移，从而驱动转子60周向转动。

进一步地，转子60套接固定于转轴90，转轴90转动连接于壳体10。具体而言，转子60转动带动转轴90转动，壳体10起到保护作用，转轴90转动连接于壳体10，即转轴90转动的时候壳体10不转动。

进一步地，面内旋转型行波超声电机100还包括有轴承30，具体而言，壳体10设有一圆环状空腔，用于安装轴承30。轴承30的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。轴承30实质就是能够承担径向载荷，限制转轴90轴向和径向的移动，使转轴90只实现转动。

进一步地，面内旋转型行波超声电机100还包括有碟簧70和卡簧80。碟簧70与转子60的径向较小的一端接触，串接在转轴90上。碟簧70的负荷大，所需空间小，组合使用方便，能够在较小的空间内承受较大的载荷，具有良好的缓冲吸震能力。卡簧80设置于碟簧70远离转子60的一端，串接在转轴90上。卡簧80也叫挡圈或扣环，属于紧固件的一种，起着阻止转轴90上的零件轴向运动的作用。

面内旋转型行波超声电机100的工作原理是利用压电陶瓷50的逆压电效应，对压电陶瓷50进行径向极化，把压电陶瓷50分为两组，两组压电陶瓷50上分别施加相位差为π/2的同频率(超声频率)等幅度的交变电压，压电陶瓷50会产生两个相位相差90°的两相面内驻波，两相驻波通过叠加形成面内的n阶行波。定子20和转子60紧紧相嵌，定子20外周侧的定子齿21在周向和径向发生位移(轴向位移的产生相对于周向和轴向方向较小)，从而驱动转子60周向转动。

具体而言，定子20不同的设计尺寸会产生不同阶数的行波，请参照附图4，以产生4阶面内行波为例，利用沿周向粘结在圆台型定子20内测的环形压电陶瓷50沿径向极化，其中1/4波长为未极化区，以此为分界，未极化区域以左部分施加a相交变电压，以右部施加与此a相相位差为90度的b相交变电压，图中黑色实心箭头代表径向极化方向，环状压电陶瓷50中a相区域按照逆时针1/2波长正向极化，1/2波长反向极化，1/2波长正向极化，3/8波长反向极化顺序排布，b相极化区域与a相极化区域对称。根据压电陶瓷50的逆压电效应，在不固定定子20的情况下，定子20将成矩形绕转轴90转动，固定定子20的情况下，转子60将向相反的方向绕转轴90转动。

综上，本发明提供一种面内旋转型行波超声电机，其包括定子、转子、转轴及壳体组成。转子为中空的圆柱形且设有一腔体，定子为中空的圆台形，定子固定连接于壳体，转子套接固定于转轴，且定子外径较小的一端嵌套入转子的腔体内，转轴转动连接于壳体。定子与转子呈薄片状，减小了轴向体积，适用于很多薄片式电子产品，且圆台形的定子与转子相嵌，将转子对定子的轴向预压力转化成周向预紧力，定子的圆周转动带动转子转动，得到大的驱动力矩，定子与转子的结构便于加工，实用性强。

此外，本发明还提供了一种驱动器，其包含上述面内旋转型行波超声电机，具有体积小，效率高的特点。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。