CN101656491B - 面内模态周向行波旋转式超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声电机技术领域，公开了一种面内模态周向行波旋转式超声电机，其包括振子及设于振子内侧面的转子，振子与转子之间设置有能调节预紧力的预紧机构，所述振子包括压电陶瓷环及设于压电陶瓷环内侧的金属弹性体，所述振子的金属弹性体呈薄圆台形状，其与转子的接触区呈圆台形。本发明输出力矩大、轴向体积小且工作可靠。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机技术领域，尤其涉及一种面内模态周向行波旋转式超声电机。
背景技术
超声电机是一种新型的电机，它利用压电材料的逆压电效应，使定子表面质点产生一定轨迹的微米量级的振动，进而通过摩擦耦合将振动动能转换成转子的转动动能。超声电机与电磁电机相比存在一些明显的优点，如低速大转矩、不需减速机构可直接驱动、无齿轮间隙，定位精度高、大力矩密度时效率高、且具有自保持力矩，惯性小、响应快、运行无噪音、不产生磁干扰且抗磁干扰能力强、结构简单、加工容易、易小型化等。
目前已有的旋转型超声电机中，主要采用面外的弯曲振动模态复合成端面行波，并驱动转子转动，普遍存在驱动力矩小，轴向体积大、定转子的内外径接触区磨损差别大等问题；另外，即使采用了面内振动模态，为了能够施加面内的径向预紧力，振子或转子的圆盘或圆环做成两个半圆盘或半圆环，中间通过弹簧联接成圆盘或圆环以施加面内的径向预紧力，目前也很难实现大转矩，且工作可靠性低。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种输出力矩大、轴向体积小、工作可靠的面内模态周向行波旋转式超声电机。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种面内模态周向行波旋转式超声电机，包括振子及设于振子内侧面的转子，振子与转子之间设置有能调节预紧力的预紧机构，所述振子包括压电陶瓷环及设于压电陶瓷环内侧的金属弹性体，所述振子的金属弹性体呈薄圆台形状，其与转子的接触区呈圆台形。
所述转子呈环状结构；所述压电陶瓷环为圆环结构，其外环侧面分区沿径向极化。
压电陶瓷环的下端面通过粘接剂与金属弹性体的底面粘接在一起。
所述预紧机构包括插装于振子与转子转轴位置的紧固螺栓、设于紧固螺栓上的碟型弹簧、及安装于紧固螺栓上的紧固螺母。
与现有技术相比，本发明的工作原理简单、轴向体积小、易于实现，由于转子通过振子的圆台形内侧面与转子外侧面接触，将薄圆台金属弹性体沿圆周方向的行波振动转化为转子的转动，可以获得较大的驱动力矩和断电自锁力，另一方面沿轴向施加的预紧力通过振子与转子之间的圆台面接触实现圆盘径向预紧力的施加，电机结构简单、工作可靠。
附图说明
图1为本发明的双转子输出的面内模态周向行波旋转式超声电机结构示意图；
图2为双内圆台面的金属弹性体振子结构示意图；
图3为本发明的沿径向极化的压电陶瓷圆环；
图4为环形轮辐状转子结构示意图；
图5为带有键槽的双头螺栓；
图6为本发明的单转子输出的面内模态周向行波旋转式超声电机结构示意图；
图7为本发明的双转子输出的无轴承面内模态周向行波旋转式超声电机结构示意图；
图8为与图7电机对应的双内圆台面的金属弹性体振子结构示意图；
图9为与图7电机对应的环形轮辐状转子结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图5所示，一种面内模态周向行波旋转式超声电机，包括振子及设于振子内侧面的转子5，振子与转子5之间设置有能调节预紧力的预紧机构，所述振子包括压电陶瓷环7及设于压电陶瓷环7内侧的金属弹性体6，所述振子的金属弹性体呈薄圆台形状，其与转子5的接触区呈圆台形。压电陶瓷环7的内环面通过粘接剂与金属弹性体6的外环面粘接在一起。所述预紧机构包括插装于振子与转子5转轴位置的紧固螺栓1、设于紧固螺栓1上的碟型弹簧3、及安装于紧固螺栓1上的紧固螺母2。该粘接剂可为环氧树脂。
本发明加以交流电后，振子的金属弹性体6的内圆台面的微观质点处形成椭圆运动的轨迹，通过预紧机构的轴向预紧力，使得振子、转子5圆台形接触区将沿轴向的预紧力转化为沿径向的预紧力，进而使转子5在径向预紧力作用下，依靠摩擦将振子的沿圆周面的行波传递给转子5并产生旋转运动。
上述技术方案中，所述转子5呈环状结构，所述压电陶瓷环7为圆环结构，压电陶瓷环7外环侧面分区沿径向极化，压电陶瓷环7通过外侧面分区极化，内侧面不分区，在实际使用过程中，以内侧面作为施加直流电压的地端，外侧面的分区皆可作为直流电压的正极。
振子是超声电机的核心部件。为了实现本发明的最佳效果，本发明提出复合振子可采用一种薄圆台金属弹性体6与压电陶瓷环7的复合体，在相位差为90度的交变电流作用下分别激励出复合振子同频、同型、相位差为90度面内振动的驻波，二个面内驻波合成形成圆台面内的周向行波，亦即在复合振子圆台面的微观质点处形成椭圆运动的轨迹，通过调整紧固螺栓1和紧固螺母2、碟型弹簧3来调整振子、转子5的轴向预紧力，振子、转子5圆台形接触区则将沿轴向的预紧力转化为沿圆盘径向的预紧力，进而使转子5在预紧力作用下，依靠摩擦将振子的沿圆周面的行波传递给转子5并产生所需的旋转运动。
本发明的压电陶瓷环7可按偶数分区，实现正、反向连续运动，正反向运动切换灵活，性能一致。
Claims (5)
1.一种面内模态周向行波旋转式超声电机，包括振子及设于振子内侧面的转子，振子与转子之间设置有能调节预紧力的预紧机构，所述振子包括压电陶瓷环及设于压电陶瓷环内侧的金属弹性体，其特征在于：所述振子的金属弹性体呈薄圆台形状，其与转子的接触区呈圆台形。
2.根据权利要求1所述的面内模态周向行波旋转式超声电机，其特征在于：可采用双转子或单转子结构，所述振子呈环形轮辐状结构，所述转子呈环状结构。
3.根据权利要求1所述的面内模态周向行波旋转式超声电机，其特征在于：所述压电陶瓷环为圆环结构，其外环侧面分区沿径向极化。
4.根据权利要求1所述的面内模态周向行波旋转式超声电机，其特征在于：压电陶瓷环的内圆周面通过粘接剂与金属弹性体的外圆周面粘接在一起构成振子，该振子的内环面依据双转子或单转子结构可为双内圆台面或单内圆台面。
5.根据权利要求1所述的面内模态周向行波旋转式超声电机，其特征在于：所述预紧机构包括插装于振子与转子转轴位置的紧固螺栓、设于紧固螺栓上的碟型弹簧、及安装于紧固螺栓上的紧固螺母。
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