專利名稱：一種面內行波型旋轉超聲電機及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種面內行波型旋轉超聲電機及控制方法，屬旋轉超聲電機及方法的
技術領域。
背景技術：
超聲電機是一種利用壓電材料的逆壓電效應，激發彈性體在超聲頻段產生微幅振 動，并通過定、動子之間的摩擦將其轉換成動子的回轉或直線運動的新型電機。其中，現有 面內行波超聲電機采用兩種基本激勵方式一種是利用粘貼在圓環外圓柱面上的多片壓電 陶瓷片激發圓環的面內行波，通常需要在圓環外側銑出多個平面，破壞了圓環的軸對稱性， 對行波的形成不利，同時結構也很復雜，不利于加工；另一種是利用多個相同的縱向振動的 振子激發圓環的面內行波，結構復雜，且各個振子的安裝和本身的一致性很難保證。本發明 的面內行波超聲電機，采用單個振子激發圓環的面內行波，結構簡單、緊湊，易于加工和微、 小型化。同時，由于兩個發熱區域(壓電陶瓷單元和摩擦界面)相距較遠，有利于熱平衡， 且無需軸承和潤滑劑，適于真空環境使用。在機器人和空間探測方面具有廣泛應用前景。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的缺陷提出一種面內行波型旋轉超聲電機及控 制方法，具有結構簡單、緊湊，易于加工和微、小型化的特點，適用于機器人和空間探測裝備 上的應用。 本專利所采用的技術原理及方案是 —種面內行波型旋轉超聲電機，由同轉軸連接的定子組件和轉子組件構成，其特 征在于所述定子組件由上至下依次設置連接圓環的上振子、第一縱振壓電陶瓷電極片、第 一縱振壓電陶瓷、第二縱振壓電陶瓷電極片、第二縱振壓電陶瓷、限位桿、第一彎振壓電陶 瓷、彎振壓電陶瓷電極片、第二彎振壓電陶瓷和下振子，所述定子組件通過內部螺栓固定； 所述轉子組件由設置于圓環形上振子的圓環兩側的兩個同轉軸連接的錐形轉子以及螺母 和彈簧構成，螺母設置于第二錐形轉子側的轉軸上，第二錐形轉子與螺母之間設置彈簧，所 述彈簧提供兩個錐形轉子與圓環之間的預壓力。 所述的一種面內行波型旋轉超聲電機的控制方法，其特征在于經縱振壓電陶瓷 電極片輸入電壓驅動信號驅動縱振壓電陶瓷產生微幅振動，所述微幅振動激勵出圓環的面 內彎曲振動模態；經彎振壓電陶瓷電極片輸入驅動電信號驅動彎振壓電陶瓷產生超聲振 動，所述超聲振動激勵出圓環另一個面內彎曲振動模態，這兩個面內彎曲振動模態疊加成 沿圓環行進的面內彎曲行波，面內彎曲行波使圓環形上振子的圓環內壁的每一個質點進行 微幅橢圓運動，處于面內彎曲行波波峰處的質點與兩個錐形轉子接觸并產生摩擦作用驅動 兩個錐形轉子旋轉，所述縱振模態和彎振模態頻率相同且在時間上具有n /2相位差。
本發明的有益效果是該種旋轉超聲電機利用單個振子激發定子圓環的面內行 波，結構簡單緊湊，易于微、小型化，特別適用于機器人的關節驅動；雙轉子結構，無潤滑劑，
3有利在真空環境中使用；電機中的兩個熱源(壓電陶瓷片和摩擦界面)間的距離較大，這對 于熱平衡，緩減熱應力都有好處，對空間探測等散熱條件較差的情況有一定意義。定子加工 可由普通線切割方法完成，除了兩個轉子錐面的同心度要求較高，沒有其他苛刻的制造精 度要求，具有一定推廣價值。
圖1是本超聲電機的定子結構示意圖。
圖2是本超聲電機的整體結構示意圖。 圖3是本超聲電機的電壓驅動信號輸入端及振型示意圖。 圖4是本超聲電機的摩擦驅動原理圖。 圖1中(a)為定子的前視圖，(b)為立體圖，(c)為兩組壓電陶瓷的結構圖。圖1 中標號及符號名稱1上振子，2限位桿，3下振子，4縱振壓電陶瓷，5彎振壓電陶瓷，6墊片， 7螺栓，8縱振壓電陶瓷電極片，9彎振壓電陶瓷電極片。 圖2中(a)為超聲電機的側視圖，(b)為立體圖。圖2中標號及符號名稱10帶錐 形轉子的軸，11錐形轉子，12螺母，13彈簧，14墊片。 圖3中(a)為電壓驅動信號的輸入端，(b)為定子的縱振振型，(c)為定子的彎振 振型。圖3中標號及符號名稱15、16為縱振壓電陶瓷的驅動信號輸入端，17、18彎振壓電 陶瓷的驅動信號輸入端，19縱振時矩形振子部分的振型，20縱振時定子圓環部分的振型， 21彎振時矩形振子部分的振型，22彎振時定子圓環部分的振型。
圖4中標號及符號名稱23質點運動軌跡，24接觸區域。
工作原理及實施方式 下面結合附圖具體說明本旋轉式超聲電機的具體實施方式
。 本發明的面內行波旋轉超聲電機由定子組件和轉子組件構成，如圖1和圖2所示。 所述定子組件由1上振子、2限位桿、3下振子、4縱振壓電陶瓷、5彎振壓電陶瓷、6墊片、7 螺栓、8縱振電極瓷片和9彎振電極片組成。上振子的頭部直接設計成圓環形狀，如圖所示， 兩組壓電陶瓷4和5、2限位桿(用于限制電機定子繞轉子軸的轉動)，電極片8和9通過7 螺栓的作用壓在上下兩振子1和3內。縱振壓電陶瓷由兩個具有一個電極分區的陶瓷片和 兩個電極片組成，其在定子中的布局如圖l(c)中的上部分；彎振壓電陶瓷組由兩個具有兩 個電極分區的陶瓷片和一個電極片組成，其在定子中的布局如圖l(c)中的下部分。所述轉 子組件由11帶錐形轉子的軸，12錐形轉子，13螺母，14彈簧和15墊片組成。11帶錐形轉 子的軸是一根中間加工成圓錐臺末端帶螺紋的軸，12錐形轉子是一個通孔的圓錐臺。12錐 形轉子插入11帶錐形轉子的軸內，且分別夾在1定子環的兩側，通過13螺母擠壓14彈簧， 提供兩圓錐臺與1定子環之間的預壓力，定、轉子間預壓力是軸向彈簧力在徑向的分量。
定子的工作模態設定為圓環上兩個正交的同頻同型的n階面內彎曲振動模態，這 里僅以三階彎振模態為例。定子環的B。3模態(B表示彎曲振動；第一個下標表示彎曲振動 的節圓數；第二個下標表示彎曲振動的節徑數)，振子縱振陶瓷片通電時，定子呈現如下振 型振子部分的縱向振動呈現出形如圖20所示的L2模態，具有兩個節點，此時振子與圓環 連接處的縱向振動激發圓環形如圖21所示的B。3模態，它的一個波峰位于連接處；振子彎振 陶瓷片通電時，振子部分的彎曲振動呈現出B4模態，如圖中的22，具有四個節點，此時通過
4連接處的扭轉振動可以激發圓環形的B。3模態，如圖23所示，它的一個節點位于圓環與振子 的連接處。定子圓環部分的由縱振壓電陶瓷片和彎振陶瓷片分別激發的兩個B。3模態，在空 間上具有n /2的相位差，即相差1/4彎曲波波長。 這兩個模態在空間上相差Ji /2相位，在時間上Ji /2的相位差通過在縱振和彎振 壓電陶瓷上分別施加同頻率的正弦和余弦電壓驅動信號來實現，在圖3(a)中，驅動信號供 給方式如下，16. <formula>formula see original document page 5</formula>其中 V為電壓值，"為模態頻率，t為時間。 這樣這兩個模態就可以疊加成沿圓環行進的3階面內彎曲行波。當行波在圓環上 傳播時，將使圓環發生彈性變形，圓環內壁上的質點將沿著一個橢圓軌跡進行運動，如圖4 中的23所示。定子圓環兩側壓有兩個錐形轉子，圓環內壁上處于行波波峰處的區域將與轉 子接觸，沿圓周與轉子一共有三個接觸區域，如圖4中的24所示，隨著波的行進，三個接觸 區域也在不斷的行進，呈現出連續接觸的工作方式。依靠圓環內壁質點的橢圓運動及行波 波峰區域與錐形轉子的摩擦作用，即可驅動錐形轉子旋轉。 為使激勵效果穩定及振幅最大化，用于激勵振子縱振的壓電陶瓷安排在縱振節面 處，用于激勵振子彎振的壓電陶瓷片安排在彎振波峰處。
權利要求
一種面內行波型旋轉超聲電機，由定子組件和轉子組件構成，其特征在于所述定子組件由上至下依次設置連接圓環的上振子(1)、第一縱振壓電陶瓷電極片、第一縱振壓電陶瓷、第二縱振壓電陶瓷電極片、第二縱振壓電陶瓷、限位桿(2)、第一彎振壓電陶瓷、彎振壓電陶瓷電極片(9)、第二彎振壓電陶瓷和下振子(3)，所述定子組件通過內部螺栓固定；所述轉子組件由設置于圓環兩側的兩個同轉軸連接的錐形轉子(10、11)以及螺母(12)和彈簧(13)構成，螺母(12)設置于第二錐形轉子(11)側的轉軸上，第二錐形轉子(11)與螺母(12)之間設置彈簧(13)，所述彈簧(13)提供兩個錐形轉子(10、11)與圓環之間的預壓力。
2. —種基于權利要求1所述的一種面內行波型旋轉超聲電機的控制方法，其特征在 于經縱振壓電陶瓷電極片輸入電壓驅動信號驅動縱振壓電陶瓷產生微幅振動，所述微幅 振動激勵出上振子(1)的縱振模態(19)，同時，使定子圓環部分產生面內彎曲模態(20);經 彎振壓電陶瓷電極片輸入驅動電信號驅動彎振壓電陶瓷產生超聲振動，所述超聲振動激勵 出上振子(1)的彎振模態(21)，同時，使定子圓環部分產生面內彎曲模態(22);定子圓環部 分的兩個面內彎曲振動模態(20)和(22)疊加成沿圓環行進的面內彎曲行波，面內彎曲行 波使圓環內壁的每一個質點進行微幅橢圓運動，處于面內彎曲行波波峰處的質點與兩個錐 形轉子(10、11)接觸并產生摩擦作用驅動兩個錐形轉子(10、11)旋轉，所述縱振模態和彎 振模態頻率相同且在時間上具有n/2相位差。
全文摘要
本發明公布了一種面內行波型旋轉超聲電機及控制方法，所述超聲電機由定子組件和轉子組件組成。定子組件為頭部設計成圓環形的矩形夾心式振子，振子內通過螺栓緊固兩組起不同激勵作用的壓電陶瓷。轉子組件為兩個錐形轉子，分別壓在定子圓環的兩個內側，并由彈簧提供三者之間所需的預壓力。所述控制方法如下在兩組壓電陶瓷上施加特定的電壓驅動信號，可激勵出圓環的兩個特定的振動模態，疊加成沿圓環周向行進的面內彎曲行波，從而使圓環內壁質點產生微幅的橢圓運動。依靠圓環內壁行波波峰區域與錐形轉子的摩擦作用，即可驅動錐形轉子旋轉。本發明采用雙轉子結構，結構簡單、緊湊，無需軸承和潤滑劑，適于真空環境使用。
文檔編號H02N2/14GK101707444SQ200910212678
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月12日 優先權日2009年11月12日
發明者泮振鋒, 王寅, 金家楣, 錢富 申請人:南京航空航天大學