一種雙向驅動旋轉超聲電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及利用壓電陶瓷逆壓電效應的超聲電機領域，尤其是涉及一種利用單激勵超聲橢圓振動的雙向驅動旋轉超聲電機。
【背景技術】
[0002]旋轉超聲電機是20世紀80年代迅速發展和應用的一種新型微電機，是利用壓電材料的逆壓電效應實現電能-機械能轉換的機電耦合裝置，通過定子和轉子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅振動轉換成轉子的宏觀旋轉運動，直接驅動負載。因其具有體積小、重量輕、低速大扭矩、噪聲小、響應快、定位精度高、無電磁干擾和環境適應性強等優點，在醫療、航空航天、機器人、MEMS等技術領域得到了日益廣泛的應用。
[0003]目前已有的旋轉型超聲電機中，主要采用面外的彎曲振動模態復合成端面行波，并驅動轉子轉動，普遍存在驅動力矩小，軸向體積大、定轉子的內外徑接觸區磨損差別大等問題；另外，即使采用了面內振動模態，為了能夠施加面內的徑向預緊力，振子或轉子的圓盤或圓環做成兩個半圓盤或半圓環，中間通過彈簧聯接成圓盤或圓環以施加面內的徑向預緊力，目前也很難實現大轉矩，且工作可靠性低。在公開號為CN101030740A，發明名稱為《單相驅動的彎曲旋轉超聲電機》的專利文獻中，公開了一種機體的結構呈錐狀的單相驅動駐波旋轉超聲電機，該電機依靠六片沿軸向疊合在一起的壓電陶瓷片激發定子的振動，六片壓電陶瓷片依靠壓緊螺母及壓軸套固定在中軸上。該電機雖然具有輸出力矩較大等優點，但電動機的六片壓電陶瓷片按極化分區要相互錯開60安裝，其結構復雜，且在壓電陶瓷片的壓緊過程中因壓緊螺母的螺旋運動(旋轉力)極易造成壓電陶瓷片之間錯位，難以保證相鄰壓電陶瓷片之間錯位60度的技術要求；此外，該電機定子與轉子之間不帶任何定位裝置，這使得定子與轉子兩者之間的接觸位置精度受到影響，進而影響電機轉矩和速度的穩定性；因而，此類旋轉超聲電動機存在結構復雜，對定子與轉子之間的接觸位置精度要求高，制造安裝較困難，電機轉矩和速度的穩定性差等缺陷。
【發明內容】
[0004]本實用新型提供了一種新型的雙向驅動旋轉超聲電機，目的是為了克服上述旋轉超聲電機中存在的不足，提供一種結構簡單、輸出功率大，成本低、壽命長、電機輸出轉矩大的雙向旋轉超聲電機。
[0005]一種雙向驅動旋轉超聲電機，包括轉子和定子，轉子包括轉盤和設置在轉盤表面的摩擦層；定子包括支架、通過支架固定的兩個相同的超聲振動換能器、兩個相同的橢圓振動模態轉換器和兩個相同的摩擦驅動塊；所述的超聲振動換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓及依次套設在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板上設置有可與支架聯接用的法蘭盤，后蓋板和前蓋板通過螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯接壓緊，構成了雙向驅動旋轉超聲電機的能量轉換部分，將A超聲電源和B超聲電源輸出的超聲電能轉換為兩個超聲振動換能器的超聲振動能量。
[0006]所述的橢圓振動模態轉換器和前蓋板制作成一個整體設置在前蓋板的前端，或者將橢圓振動模態轉換器焊接設置在前蓋板的前端，橢圓振動模態轉換器包括直梁和斜梁構成的復合結構，直梁和斜梁垂直于其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板聯接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板偏離中心軸線的一側聯接，另一端和直梁的中間部位聯接，斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成0-90度夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯接處均為圓弧過渡聯接。
[0007]橢圓振動模態轉換器設置在超聲振動換能器前端后構成的組合件稱為單激勵超聲橢圓振動換能器，橢圓振動模態轉換器為直梁和斜梁復合結構的目的是為了改變單激勵超聲橢圓振動換能器的振動模態，使其縱向振動模態頻率和彎曲振動模態頻率接近或相等；由于斜梁結構的存在，超聲振動換能器產生的縱向超聲振動在傳遞到斜梁后，在斜梁根部分解為一部分縱向振動分量和一部分彎曲振動分量，當斜梁分解的縱向振動分量和彎曲振動分量傳遞到直梁后，和直梁上傳播的縱向振動相復合，最終在直梁末端形成具有一定相位差的縱向振動分量和彎曲振動分量復合的超聲橢圓振動。
[0008]所述的兩個摩擦驅動塊分別通過焊接、粘接或螺釘聯接方式設置在兩個橢圓振動模態轉換器的前端，兩個摩擦驅動塊分別與轉盤上的摩擦層相接觸。兩個超聲振動換能器通過支架和超聲振動換能器的法蘭盤聯接在一起，且支架用來固定定子和安裝預壓力裝置，將定子和轉子連接成一整體構成雙向驅動旋轉超聲電機，經法蘭盤固定后的兩個超聲振動換能器軸線之間夾角為20度~160度。
[0009]在未加超聲電壓信號驅動前，兩個橢圓振動模態轉換器前端的摩擦驅動塊同時與轉子接觸。
[0010]工作時，其中一個超聲振動換能器懸浮，另外一個超聲振動換能器工作。即是:向需要懸浮的超聲振動換能器電極片送入直流負電壓信號，利用壓電效應使該超聲振動換能器軸向收縮，進而使橢圓振動模態轉換器前端的摩擦驅動塊懸浮在轉子上。向另外一個需進行驅動工作的超聲振動換能器送入超聲正弦電信號，該超聲振動換能器即產生超聲振動，超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態轉換器末端后，轉換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復合的縱彎復合超聲橢圓振動，即轉換為橢圓振動模態轉換器末端的縱彎復合超聲橢圓振動；并驅動摩擦驅動塊和橢圓振動模態轉換器末端一起做超聲橢圓振動，進而驅動轉子進行連續旋轉運動。
[0011]當需要轉子向另一個方向旋轉運動時，交換兩個超聲振動換能器的超聲電信號驅動方式即可。相比現有文獻介紹的雙向驅動旋轉超聲電機，該旋轉超聲電機具有功率容量大、能量轉換效率高、結構簡單，制造容易、成本低、結構剛度大、控制驅動系統簡單和振動工作性能穩定等優點。
[0012]更進一步，所述的雙向驅動旋轉超聲電機的兩個超聲振動換能器均分別有一組縱向振動壓電陶瓷片。
[0013]更進一步，所述的雙向驅動旋轉超聲電機的兩個超聲振動換能器均分別需一路超聲電信號激勵。
[0014]本實用新型采用了機械振動模態轉換機理把超聲振動換能器的縱向振動轉換分解為直梁的縱向振動、斜梁的縱向振動和彎曲振動分量，最終在直梁末端合成為縱彎復合超聲橢圓振動，簡化了雙向驅動旋轉超聲電機的整體結構，大大降低了振動系統的復雜程度，降低了制造、裝配難度和生產成本，整個雙向驅動旋轉超聲電機結構簡單、制造容易，成本低；另外該實用新型的兩個超聲振動換能器均只需一路超聲電信號進行激勵，控制難度低，避免了多相超聲振動復合形成橢圓振動換能器的復雜超聲電源開發費用，簡化了控制電路及超聲電源結構，降低了控制電路及超聲電源成本，減小了控制電路及超聲電源體積，易于實現控制電路及超聲電源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加穩定，應用前景廣闊。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0016]圖2是本實用新型的應用實例示意圖。
[0017]圖中標號說明:1.螺栓，2.后蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.前蓋板，6.法蘭盤，7.橢圓振動模態轉換器，8.轉盤，9.摩擦