[发明专利]贴片式纵扭模态复合型超声电机

说明书

技术领域

本发明涉及超声波应用装置技术领域，具体是一种贴片式纵扭模态复合型超声电

机。

背景技术

超声电机是一种压电电机，其利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声电机的定子的振动能，再通过摩擦作用把振动能转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子、转子(动子)及预压力机构等组成。与传统电磁电机相比，超声波电机具有许多特点和优点，比如：结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化；低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动；电机响应速度快，并且能实现断电自锁；位置和速度控制性好，位移分辨率高；超声波电机是通过振动摩擦进行能量转换的，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强；安静无噪声，超声波电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行；设计灵活，结构形式多样化。超声电机重量轻，结构紧凑，驱动电压低等特点，使其特别适合用于设备和机构的直接驱动，而不需要减速机构。

纵扭复合型超声电机是超声电机的一种重要类型。其利用了定子的纵向振动和扭转振动，这两种振动的复合使得定子驱动端面的质点产生椭圆运动，再通过定子、转子之间的摩擦作用驱动转子转动。与行波型超声电机相比，相同直径下，纵扭复合型超声电机能提供大得多的扭矩，其定子驱动端面质点的发向和切向振动可分别由纵振、扭振压电元件独立激发而成，这样就可以通过改变纵振、扭振两相的输入电压的大小，方便地控制电机的机械输出特性。纵扭型超声电机基本上可以分为两大类，一类是纵扭模态复合型，另一类是模态转换型。

图1为一种纵扭型超声电机的结构示意图，电机的定子为细长轴型，电机采用两组压电陶瓷片，在定子上激励出一阶的纵向振动和二阶的扭转振动。在设计时，将定子的一阶纵向振动模态频率和二阶扭转振动模态频率设计为相同，电机的工作模态为一阶纵向振动模态和二阶扭转振动模态的复合振动模态。工作时，两相激励信号的频率相同，且为定子的复合振动频率。有些纵扭电机将纵振压电陶瓷片和扭振压电陶瓷片分别装在定子、转子上，其工作效果也与图1所示电机类似，没有本质区别。

如图2(a)和(b)所示，纵振陶瓷片比较简单，为上下方向(轴向)极化，上下方向加电场的圆片。扭振陶瓷片要相对复杂很多。图2(a)为纵扭型电机所用的扭转型压电陶瓷片，其由8个扇形小片21、22、23、24、25、26、27和28粘接而成。211为每个小片的极化方向。29为压电陶瓷上所施加的激励电场的方向。利用压电陶瓷的d15逆压电效应，可在陶瓷片上产生一个扭转角210。

扭转型压电陶瓷片存在结构过于复杂，加工成本高，容易失效且不容易微型化等缺点，严重影响了纵扭电机的普及。为了解决这些问题，人们提出了模态转换型纵扭超声电机。如图3所示，Yukiyasu Kato在美国专利(US6469419B2)中提出的斜槽式模态转换式样纵扭超声电机，定子上的斜槽起到将纵向振动转化为扭转振动的作用。34为一组纵振压电陶瓷片，36为定子的二阶扭转振动模态，37为定子的一阶纵向振动模态。另外，Akio Kumada还提出了一种斜梁模态转化型的纵扭电机(US4642509)，其同样采用纵振压电陶瓷片激励出定子的纵向振动，靠斜梁转化为扭转振动。但这两种电机都存在旋转方向不可调，且力矩速度调节困难等问题。

微型化也是超声波电机的一个发展趋势。减少压电陶瓷的的加工制作困难，简化电机结构并在狭小的空间里获得大力矩是一个迫切需要解决的难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种贴片式纵扭模态复合型超声电机。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种贴片式纵扭模态复合型超声电机，包括定子、转子和预压力机构，其中，所述定子包括定子金属基体和粘贴在定子金属基体上的纵振压电片和扭振压电片，所述定子基体为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片和扭振压电片，所述纵振压电片和扭振压电片均对称安装，成对使用；所述转子包括上转子、下转子和转子轴，所述上转子和下转子通过转子轴组成一个同步旋转的整体，所述转子通过预压力机构压紧在定子的两个端面上，纵振压电片和扭振压电片在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，定子通过摩擦驱动转子旋转。

所述定子通过纵振压电片和扭振压电片的激励形成一阶纵振和一阶扭转振动复合振动模态，作为工作模态，其中，所述一阶纵振模态和一阶扭转振动模态频率相同，并通过该频率对电机进行激励，所述在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。