一种单电信号驱动双向旋转超声电机.pdf

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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410740471.6 (22)申请日 2014.12.09 H02N 2/10(2006.01) H02N 2/12(2006.01) H02N 2/14(2006.01) (71)申请人 苏州科技学院 地址 215009 江苏省苏州市高新区科锐路 1 号 (72)发明人 殷振 李艳 曹自洋 汪帮富 吴永芝 庄孝斌 朱淑梅 吴阳 曹庆阳 吴雷 (54) 发明名称 一种单电信号驱动双向旋转超声电机 (57) 摘要 本发明公开了一种单电信号驱动双向旋转超 声电机， 包括两个相同的定子、 一个转子和一套正 压预紧力调整机构， 定子包括心。

2、轴和依次套设在 心轴上的后盖板、 压电陶瓷片、 电极片、 椭圆振动 模态转换器 ； 转子包括摩擦盘和轴承 ； 正压预紧 力调整机构包括弹簧和支撑结构。本发明利用直 梁和斜梁复合特殊设计的椭圆振动模态转化器结 构， 通过压电陶瓷片的纵向振动实现了定子驱动 齿端面质点的椭圆轨迹运动， 两个定子分别进行 工作时， 分别驱动驱动转子进行连续旋转运动。 本 发明具有结构简单， 制造容易， 易于微型化， 集成 化， 成本低、 控制难度小等优点， 应用前景广阔。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN。

3、 104410326 A (43)申请公布日 2015.03.11 CN 104410326 A 1/1 页 2 1. 一种单电信号驱动双向旋转超声电机， 包括两个相同的定子、 一个转子和一套正压 预紧力调整机构， 其特征在于 ： 定子包括心轴和依次套设在心轴上的后盖板、 压电陶瓷片、 电极片、 椭圆振动模态转换器， 心轴和椭圆振动模态转换器通过螺纹联接后将后盖板、 压电 陶瓷片、 电极片和椭圆振动模态转换器压紧固定 ； 所述的椭圆振动模态转换器为一体化结 构， 包括下端的圆柱体部分和上端的驱动齿部分， 下端的圆柱体部分上设置有可以与外部 结构联接用的法兰盘， 上端的驱动齿部分在圆周方向均布设。

4、置在圆柱体部分的上端， 驱动 齿的数量为3-12个,每个驱动齿沿径向方向的投影为直梁和斜梁的复合结构， 直梁的几何 中心轴线和圆柱体部分的轴线平行， 直梁的一端与圆柱体部分的前端联接， 另一端悬伸 ； 斜 梁的一端和圆柱体部分的前端偏离直梁轴线的一侧联接， 另一端和直梁的中间部位联接， 斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线成 0-90 度夹角， 直梁和斜梁与圆柱体部分的 联接处均为圆弧过渡联接 ； 转子包括摩擦盘和轴承 ； 正压预紧力调整机构包括弹簧和支撑 结构 ； 所述的两个定子同轴设置， 且定子上椭圆振动模态转换器的驱动齿端均朝向摩擦盘 并和摩擦盘接触， 其中一个定子通过法兰盘固定设置，。

5、 另一个定子通过法兰盘和弹簧及支 撑结构联接， 在两个定子和转子之间形成正压预紧力。 2. 根据权利要求 1 所述的单电信号驱动双向旋转超声电机， 其特征在于 ： 所述后盖板 和所述心轴制作成分体式结构或一体化结构。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的单电信号驱动双向旋转超声电机， 其特征在于 ： 所述椭 圆振动模态转换器驱动齿末端粘接有 A 摩擦材料。 4. 根据权利要求 1 或 2 所述的单电信号驱动双向旋转超声电机， 其特征在于 ： 所述摩 擦盘上与驱动齿相接触的两个端面粘接有 B 摩擦材料。 权 利 要 求 书 CN 104410326 A 2 1/4 页 3 一种单电信号驱动双向。

6、旋转超声电机 技术领域 0001 本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声电机领域， 尤其是涉及一种利用超声 椭圆振动的单电信号驱动双向旋转超声电机。 背景技术 0002 旋转超声电机是 20 世纪 80 年代迅速发展和应用的一种新型微电机， 是利用压电 材料的逆压电效应实现电能 - 机械能转换的机电耦合装置， 通过定子和转子之间的摩擦作 用， 把弹性体的微幅振动转换成转子的宏观旋转运动， 直接驱动负载。 目前已有的旋转型超 声电机中， 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、 工作可 靠性低等问题。 0003 单电信号驱动模态转换型超声电机也是超声电机的一种， 它是。

7、利用一组压电陶瓷 元件的驱动， 通过特殊结构的模态转换器使定子产生具有两种振动模态分量的复杂振动。 如果这两个振动模态之间存在一定的相位差且频率相近， 定子和转子接触界面上定子的端 面质点就会产生椭圆轨迹振动， 从而通过定子和转子之间的摩擦获得转子的运动和扭矩。 0004 在公开号为 CN101860259A， 发明名称为 单电信号激励旋转超声电机 的专利文献 中， 公开了一种利用利用窗形错位模态转换器将夹心式压电振子产生的纵向振动转换为驱 动齿质点椭圆振动， 进而驱动转子转动的超声电机， 该发明控制驱动系统简单， 装配容易， 但是其窗形错位模态转换器制造难度较大， 生产成本较高， 且其只能进。

8、行单向旋转， 这些问 题制约了其在工业生产中的推广和应用。 0005 在公开号为 CN101030740A， 发明名称为 单相驱动的弯曲旋转超声电机 的专利文 献中， 公开了一种机体的结构呈锥状的单相驱动驻波旋转超声电机， 该电机依靠六片沿轴 向叠合在一起的压电陶瓷片激发定子的振动， 六片压电陶瓷片依靠压紧螺母及压轴套固定 在中轴上。 该电机虽然具有输出力矩较大等优点， 但其结构复杂， 且在压电陶瓷片的压紧过 程中因压紧螺母的螺旋运动 ( 旋转力 ) 极易造成压电陶瓷片之间错位， 难以保证相邻压电 陶瓷片之间错位 60 度的技术要求 ； 此外， 该电机定子与转子之间不带任何定位装置， 这使 得。

9、定子与转子两者之间的接触位置精度受到影响， 进而影响电机转矩和速度的稳定性 ； 此 类旋转超声电动机存在结构复杂， 制造安装较困难， 成本较高、 电机转矩和速度的稳定性差 等问题。 发明内容 0006 本发明提供了一种新型的单电信号驱动双向旋转超声电机， 目的是为了克服上述 旋转超声电机中存在的不足， 提供一种结构简单、 输出功率大， 成本低、 寿命长、 电机输出转 矩大的单电信号驱动双向旋转超声电机。 0007 一种单电信号驱动双向旋转超声电机， 包括两个相同的定子、 一个转子和一套正 压预紧力调整机构， 定子包括心轴和依次套设在心轴上的后盖板、 压电陶瓷片、 电极片、 椭 圆振动模态转换器。

10、， 心轴和椭圆振动模态转换器通过螺纹联接后将后盖板、 压电陶瓷片、 电 说 明 书 CN 104410326 A 3 2/4 页 4 极片和椭圆振动模态转换器压紧固定。同时定子部分也是超声电机的能量转换部分， 将超 声电源输出的超声电能转换为定子部分的超声振动能量。 0008 所述的椭圆振动模态转换器为一体化结构， 包括下端的圆柱体部分和上端的驱动 齿部分， 所述驱动齿部分在圆周方向均布设置在圆柱体部分的上端， 驱动齿的数量为 3-12 个。每个驱动齿沿径向方向的投影为直梁和斜梁的复合结构， 直梁的几何中心轴线和圆柱 体部分的轴线平行， 直梁的一端与圆柱体部分的前端联接， 另一端悬伸 ； 斜梁。

11、的一端和圆柱 体部分的前端偏离直梁轴线的一侧联接， 另一端和直梁的中间部位联接， 斜梁的几何中心 轴线和直梁的几何中心轴线成 0-90 度夹角， 直梁和斜梁与圆柱体部分的联接处均为圆弧 过渡联接。 0009 使驱动齿形成直梁和斜梁复合结构的目的是为了改变椭圆振动模态转换器的振 动模态， 使驱动齿的纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等， 由于直梁和斜梁 复合结构的存在， 超声电机的能量转换部分产生的纵向超声振动在传递到斜梁后， 在斜梁 根部分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量， 当斜梁分解的纵向振动分量和弯 曲振动分量传递到直梁后， 和直梁上传播的纵向振动相复合， 最终在直梁末端。

12、形成具有一 定相位差的纵向振动分量和弯曲振动分量复合的超声椭圆振动， 即转换为椭圆振动模态转 换器驱动齿末端沿超声电机圆周切向的纵弯复合超声椭圆振动。 0010 转子包括摩擦盘和轴承， 轴承设置在摩擦盘内部 ； 正压预紧力调整机构包括弹簧 和支撑结构， 弹簧一端与一定子的法兰盘固定， 另一端与支撑结构固定。 0011 所述的两个定子同轴设置， 且定子上椭圆振动模态转换器的驱动齿端均朝向摩擦 盘并和摩擦盘接触， 其中一个定子通过法兰盘进行固定， 另一个定子通过法兰盘和弹簧一 端连接， 支撑结构联接在弹簧另一端， 通过调节支撑结构的位置， 在两个定子和转子之间形 成正压预紧力。 0012 更进一步。

13、， 所述椭圆振动模态转换器驱动齿末端粘接有 A 摩擦材料。 0013 更进一步， 所述摩擦盘上与驱动齿相接触的两个端面粘接有 B 摩擦材料。 0014 更进一步， 所述后盖板和所述心轴制作成分体式结构或一体化结构。 0015 更进一步， 本发明只需要一路超声电源输出信号和控制电路， 当需要转子向一个 方向转动时， 将超声电源输出的电信号接入到相应定子的电极片即可， 如果需要转子向另 一个方向转动， 通过转换开关将该超声电源输出的电信号接入到另外一个定子的电极片即 可。 0016 本发明定子采用夹心式换能器结构， 利用特殊设计的椭圆振动模态转化器， 利用 一组压电陶瓷的纵向振动模式实现了定子驱动。

14、齿端面质点的椭圆轨迹运动， 两个定子分别 进行工作时， 可驱动转子进行双向旋转运动。 本发明具有结构简单， 功率容量大， 制造容易， 装配难度低等优点 ； 另外本发明只需要一组控制电路及其驱动电源， 控制驱动系统简单， 制 造容易， 控制难度小， 可靠性高 ； 同时本发明具有体积小、 重量轻、 易于微型化、 集成化、 成本 低、 低速大扭矩、 噪声小、 响应快、 定位精度高、 无电磁干扰和环境适应性强等优点， 应用前 景广阔。 附图说明 0017 图 1 是本发明的结构示意图。 说 明 书 CN 104410326 A 4 3/4 页 5 0018 图 2 是本发明的椭圆振动模态转换器三维结构。

15、示意图 ( 无法兰盘 )。 0019 图 3 是本发明的应用实例示意图。 0020 图中标号说明 ： 1. 心轴， 2. 后盖板， 3. 压电陶瓷片， 4. 电极片， 5. 法兰盘， 6. 椭圆 振动模态转换器， 7.A 摩擦材料， 8. B 摩擦材料， 9. 摩擦盘， 10. 轴承， 11. 弹簧， 12. 支撑结 构， 13. 超声电源。 具体实施方式 0021 结合图 1、 2 所示， 本发明的单电信号驱动双向旋转超声电机， 包括两个相同的定 子、 一个转子和一套正压预紧力调整机构， 定子包括心轴1和依次套设在心轴1上的后盖板 2、 压电陶瓷片 3、 电极片 4、 椭圆振动模态转换器 6。

16、， 心轴 1 和椭圆振动模态转换器 6 通过螺 纹联接后将后盖板 2、 压电陶瓷片 3、 电极片 4 和椭圆振动模态转换器 6 压紧固定， 所述后盖 板 2 和所述心轴 1 为分体式结构。 0022 椭圆振动模态转换器 6 为一体化结构， 包括下端的圆柱体部分和上端的驱动齿部 分， 驱动齿部分在圆周方向均布设置在圆柱体部分的上端， 驱动齿的数量为 6 个， 每个驱动 齿沿径向方向的投影为直梁和斜梁的复合结构， 每个驱动齿沿径向方向的投影为直梁和斜 梁的复合结构， 直梁的几何中心轴线和圆柱体部分的轴线平行， 一端与圆柱体部分的前端 联接， 另一端悬伸 ； 斜梁的一端和圆柱体部分的前端偏离直梁轴线。

17、的一侧联接， 另一端和直 梁的中间部位联接， 斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线成 30 度夹角， 直梁和斜梁 与圆柱体部分的联接处均为圆弧过渡联接 , 圆弧半径为 1mm。 0023 驱动齿沿径向方向投影的直梁宽度为 2mm， 高度为 7mm， 驱动齿沿径向方向投影的 斜梁宽度为 1.5mm， 驱动齿末端粘接有 A 摩擦材料 7。 0024 摩擦盘 9 和轴承 10 构成超声电机的转子部分， 摩擦盘 9 和轴承 10 通过过渡配合 连接一起后套设在心轴 1 上， 摩擦盘 9 上与驱动齿相接触的两个端面均粘接有 B 摩擦材料 8 ； 超声电机转子和两个定子的正压预紧力调整机构包括弹簧 11。

18、 和支撑结构 12， 两个定 子同轴设置， 驱动齿端均朝向摩擦盘 9 并和摩擦盘 9 接触， 其中一个定子通过法兰盘 5 进行 固定， 另一个定子通过法兰盘 5 和弹簧 11 一端连接， 支撑结构 12 联接在弹簧 11 另一端， 在 两个定子和转子之间形成正压预紧力， 通过调节支撑结构 12 的位置可以改变弹簧 11 的压 缩量， 从而调节超声电机定子对转子的预压力， 预压力设定为 8N。 0025 单电信号驱动双向旋转超声电机外径 10mm， 长度 108mm， 所用压电陶瓷为 PZT-8， 尺寸为1052mm， 两个定子的固有频率均为 101.5KHz， 阻抗分别为 58 和 61 欧姆。

19、， 动 态电阻为 18 和 17 欧姆， 超声电源 13 输出电压范围为 0-400V， 电流范围为 0-4A， 输出频率 为 101.50.01KHz， 且超声电源 13 在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。 0026 结合图3所示， 运行时， 单电信号驱动双向旋转超声电机的一个定子的电极片4接 入超声电源 13 输出的电信号后， 由于压电陶瓷片 3 的逆压电效应， 压电陶瓷片 3 将会产生 纵向超声振动， 即将超声电源 13 输出的电能转换为超声振动能量， 并驱动整个定子进行纵 向超声振动， 当超声振动能量从定子传递到椭圆振动模态转换器 6 驱动齿末端后， 转换为 具有一定相位差的纵向振。

20、动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动， 即转换为椭圆振动 模态转换器 6 驱动齿末端沿超声电机圆周切向的纵弯复合超声椭圆振动， 驱动齿末端和摩 说 明 书 CN 104410326 A 5 4/4 页 6 擦盘 9 相接触， 进而驱动转子进行旋转运动， 超声电机连续运行 30 分钟后， 超声电源 13 输 出电压为 100V， 电流为 0.24A， 转子旋转速度为 536r/min， 运行状态良好。 0027 当需要转子向另一个方向转动时， 通过转换开关将该超声电源 13 输出的电信号 接入到另外一个定子的电极片 4 即可， 另一个定子连续运行 30 分钟后， 超声电源 13 输出电 压为 100V， 电流为 0.26A， 转子旋转速度为 541r/min， 运行状态亦良好。 说 明 书 CN 104410326 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104410326 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 104410326 A 8 。