CN103368457A - 一种薄板式旋转超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种薄板式旋转超声电机，属超声电机领域。所述电机由转子、基座、轴承、橡胶弹簧、定子构成。转子和基座通过轴承定位，橡胶弹簧压在定子和基座间，固定定子，同时提供定、转子间的预压力。定子采用一个环形金属薄片和一个环形压电陶瓷片的复合结构，压电陶瓷环单向极化，具有均匀分区的扇形镀银电极。与传统行波型超声电机相比较，具有结构简单，加工成本低，易于微、小型化，可应用于精密机械设备及光学仪器设备中。

Description

一种薄板式旋转超声电机

技术领域：

本发明涉及一种薄板式旋转超声电机。

背景技术：

超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，并通过定、转子之间的摩擦将其转换成转子(动子)的回转(直线)运动的新型电机。其中，行波型旋转超声电机基本原理是通过激发圆环或圆板上弯曲振动(或面外振动)行波，形成定子表面的椭圆运动。轨迹椭圆的切向轴的长度除了与法向轴的长度成正比之外，同时还与定子的厚度成正比，椭圆的切向轴越长、电机转速越高，反之亦然。然而，定子弯曲振动幅值也与厚度有关：定子越厚，振幅越小。因此，通过增加定子厚度来提高电机转速的方法是不可行的。目前，行波型旋转超声电机采用定子端面开设齿槽的结构形式，在一定程度上能缓和两方面的矛盾。但同时带来了一个新问题：齿槽增加了定子的复杂性，不利于设计与加工；也不利于微、小型化，应用范围受限。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷提出一种结构简单、易于微、小型化、大扭矩、效率高、响应速度快、应用范围更广的薄板式旋转超声电机。

薄板式旋转超声电机，由轴承、基座、转子和定子构成，转子、定子和基座共轴承设置，其特征在于：还包括橡胶弹簧，所述定子由环形金属薄片和环形压电陶瓷片共轴承复合构成，环形金属薄片的顶部连接转子，环形金属薄片的底部连接环形压电陶瓷片的顶部，环形压电陶瓷片的底部与基座相对设置，所述环形压电陶瓷片的底部均布单向极化的分区扇形镀银电极；橡胶弹簧穿过环形压电陶瓷片压在环形金属薄片和基座之间，所述橡胶弹簧隔离环形压电陶瓷片和轴承、固定定子，同时提供定、转子间的预压力。

本发明的有益效果：该型超声电机除具有超声电机的一般特点外，结构更加紧凑，易于微、小型化；可实现正、反转运动，由两路正弦信号激励，驱动电路简单；定子的压电陶瓷环采用均匀电极分区。

附图说明：

图1是薄板式双行波型旋转超声电机定、转子结构示意图。

图2是薄板式双行波型旋转超声电机定子结构示意图。

图3是薄板式双行波型旋转超声电机的工作模态示意图。其中图(a)为定子面外振动模态B₁₂；图(b)为定子面内振动模态θ₁₂。

图4是薄板式双行波型旋转超声电机工作模态的激励。其中图(c)为给端口(13)施加交变激励电压Esin(ω₁t)时，定子产生振动，形成驻波w_A(θ，t)＝Wsin(2θ)sin(ω₁t)；图(d)为给端口(14)施加交变激励电压Ecos(ω₁t)时，定子产生振动，形成驻波w_B(θ，t)＝Wcos(2θ)cos(ω₁t)。驻波w_A(θ，t)＝Wsin(2θ)sin(ω₁t)和w_B(θ，t)＝Wcos(2θ)cos(ω₁t)的叠加形成面外行波。图(e)为给端口(13)施加交变激励电压Esin(ω₂t)时，定子产生振动，形成驻波δ_A(θ，t)＝Ucos(2θ)sin(ω₂t)；图(f)为给端口(14)施加交变激励电压Ecos(ω₂t)时，定子产生振动，形成驻波δ_B(t)＝-Usin(2θ)cos(ω₂t)。驻波δ_A(θ，t)＝Ucos(2θ)sin(ω₂t)和δ_B(t)＝-Usin(2θ)cos(ω₂t)的叠加形成面内行波。

注：图中均以陶瓷环4n＝8均匀扇形电极分区为例说明。

图1、图2中标号及符号名称：1橡胶弹簧，2环形压电陶瓷片，3弹簧挡圈，4轴承，5基座，6环形金属薄片，7转子，8扇形镀银电极。

图4中标号名称：13、14定子环行波驱动信号输入端。

具体实施方式：

下面以扇形镀银电极8的分区数为8为例说明薄板式双行波型旋转超声电机工作原理及具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明的薄板式双行波型旋转超声电机，主要由定子组件、转子及支架组件构成。定子组件采用一个环形金属薄片6和一个环形压电陶瓷片2的复合结构。压电陶瓷环单向极化，具有八个均匀分区的扇形镀银电极8；转子7和基座5通过轴承4定位；橡胶弹簧1压在定子和基座5间，固定定子，同时提供定、转子间的预压力。本发明的薄板式双行波型旋转超声电机，它由转子、基座、轴承、橡胶弹簧、定子构成。转子和基座通过轴承定位，橡胶弹簧压在定子和基座间，固定定子，同时提供定、转子间的预压力。定子采用一个环形金属薄片和一个环形压电陶瓷片的复合结构，压电陶瓷环单向极化，具有均匀分区的扇形镀银电极。

如图3所示，是薄板式双行波型旋转超声电机的工作模态示意图。其中图(a)为定子面外振动模态B₁₂；图(b)为定子面内振动模态θ₁₂。

本发明控制方法如下：环形压电陶瓷片2经扇形镀银电极8输入驱动电信号产生超声振动，激发定子上的环形金属薄片6产生一个面外驻波9和一个面内驻波11；环形压电陶瓷片2经扇形镀银电极8输入驱动电信号产生超声振动，激发定子上的环形金属薄片6产生一个面外驻波10和一个面内驻波12；两个面外驻波合成一个面外行波，两个面内驻波合成一个面内行波，两个行波的叠加使定子表面质点的运动轨迹为椭圆；定子行波波峰处经与转子7接触点附近的摩擦力共同作用于转子7，实现转子7转动。具体方法如图4所示：

图(c)所示为给端口13施加交变激励电压Esin(ω₁t)时，定子产生振动，形成驻波w_A(θ，t)＝Wsin(2θ)sin(ω₁t)，ω₁为B₁₂模态的固有频率。图(d)为给端口14施加交变激励电压Ecos(ω₁t)时，定子产生振动，形成驻波w_B(θ，t)＝Wcos(2θ)cos(ω₁t)。同时给端口13和14施加上述激励，可得两个驻波合成的行波：w(θ，t)＝Wsin(2θ+ω₁t)。

图(e)所示为给端口13施加交变激励电压Esin(ω₂t)时，定子产生振动，形成驻波δ_A(θ，t)＝Ucos(2θ)sin(ω₂t)，ω₂为θ₁₂模态的固有频率。图(f)为给端口14施加交变激励电压Ecos(ω₂t)时，定子产生振动，形成驻波δ_B(t)＝-U sin(2θ)cos(ω₂t)。同时给端口(13)和14施加上述激励，可得两个驻波合成的行波：δ₂(θ，t)＝Ucos(2θ+ω₂t)。

当两个模态B₁₂和θ₁₂具有相同的固有频率(ω₁＝ω₂＝ω)时，对端口(13)和(14)分别施加激励电压Esin(ωt)和Ecos(ωt)，可以同时激发定子上的两个行波，一个面外行波和一个面内行波。表面质点沿周向的振动为：

δ(θ，t)＝δ₁(θ，t)+δ₂(θ，t)＝(U-2hW)cos(2θ+ωt)

表面上任意质点P的运动可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_P\left(t\right)=(U-2\mathrm{hW})\cos ({2\mathrm{\θ}}_P+\mathrm{\ωt})\\ W_P\left(t\right)=W\sin ({2\mathrm{\θ}}_P+\mathrm{\ωt})\end{array}\right.$

这是一个椭圆方程。描述了两个行波叠加后，定子表面质点的运动轨迹。

Claims (1)

1.一种薄板式旋转超声电机，由轴承(4)、基座(5)、转子(7)和定子构成，转子(7)、定子和基座(5)共轴承(4)设置，其特征在于：还包括橡胶弹簧(1)，所述定子由环形金属薄片(6)和环形压电陶瓷片(2)共轴承(4)复合构成，环形金属薄片(6)的顶部连接转子(7)，环形金属薄片(6)的底部连接环形压电陶瓷片(2)的顶部，环形压电陶瓷片(2)的底部与基座(5)相对设置，所述环形压电陶瓷片(2)的底部均布单向极化的分区扇形镀银电极(8)；橡胶弹簧(1)穿过环形压电陶瓷片(2)压在环形金属薄片(6)和基座(5)之间，所述橡胶弹簧(1)隔离环形压电陶瓷片(2)和轴承(4)、固定定子，同时提供定、转子间的预压力。

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