專利名稱：交叉組合激勵方式的定子及使用該定子的微超聲電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲振動應用領(lǐng)域，具體涉及一種利用彎曲振動模態(tài)采用全新分區(qū)激勵方式的超聲波振動激勵定子和使用這種定子的微超聲電機。
背景技術(shù)：
彎曲振動模態(tài)超聲電機是超聲電機的一種，它相對別的超聲電機結(jié)構(gòu)比較簡單。根據(jù)定子形狀的不同，彎曲振動模態(tài)超聲電機可分為壓電片夾心式超聲電機、壓電柱式超聲電機和壓電管式超聲電機，其中超聲電機的工作效率是標志其能否實用化的一個重要衡量參數(shù)。影響此類電機效率的主要因素有電機的設(shè)計結(jié)構(gòu)和定子的分區(qū)激勵方式。如圖1所示，已有的壓電管式超聲電機定子(壓電陶瓷管)的分區(qū)激勵方式為將壓電陶瓷管1外側(cè)的銀膜均勻分為四份銀極1-1、1-2、1-3和1-4，并將其分別通以sin、cos、-sin和-cos四路交流電信號進行激勵；如圖2所示，已有的壓電柱式超聲電機定子(壓電陶瓷柱)的分區(qū)激勵方式為將壓電陶瓷柱2外側(cè)的銀膜也均勻分為四份銀極2-1、2-2、2-3和2-4并分別通有sin、cos、-sin和-cos四路交流電信號進行激勵，例如公開號為1440115A的專利。上述彎曲振動模態(tài)超聲電機的主要優(yōu)勢在于定子的分區(qū)激勵方式較簡單，但其電機的工作效率低、輸出轉(zhuǎn)矩小，在電機進一步微細化時這一問題顯得尤為突出。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有微超聲電機工作效率低、微細化時輸出轉(zhuǎn)矩小的問題，本發(fā)明提供了一種交叉組合激勵方式的定子及使用該定子的微超聲電機。本發(fā)明提供的交叉組合激勵方式的定子，它由壓電陶瓷元件和定子匹配塊構(gòu)成，所述壓電陶瓷元件的外表面均勻分布有八個徑向極化的供激勵振動用的外電極。本發(fā)明中使用交叉組合激勵方式定子的微超聲電機，它含有由壓電陶瓷元件和定子匹配塊構(gòu)成的定子、轉(zhuǎn)子及預壓力機構(gòu)，它是一種彎曲振動模態(tài)的微超聲電機，所述壓電陶瓷元件的外表面均勻分布有八個徑向極化的供激勵振動用的外電極。
由于本發(fā)明的超聲電機使用了全新分區(qū)激勵方式的定子——采用交叉組合激勵方式的定子，顯著提高了電機的工作效率，改善了電機的機械特性，促進了彎曲振動超聲電機的實用化和微細化，因此本發(fā)明在航空航天、醫(yī)療器械、智能機器人、國防科技等方面有著廣闊的應用前景。在同樣的激勵電壓峰峰值下，本發(fā)明的微超聲電機相比于傳統(tǒng)的使用具有四個外電極定子的超聲波電機，其性能有明顯的改善，空載轉(zhuǎn)速提高了約23％，堵轉(zhuǎn)力矩提高了約45％。
圖1為已有的壓電管式超聲電機定子(壓電陶瓷管)的分區(qū)方式示意圖；圖2為已有的壓電柱式超聲電機定子(壓電陶瓷柱)的分區(qū)方式示意圖；圖3為本發(fā)明設(shè)計的超聲電機定子中壓電陶瓷管3的分區(qū)方式示意圖；圖4為圖3中壓電陶瓷管3的后視圖；圖5為具體實施方式
三中壓電陶瓷元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為具體實施方式
七中套筒4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為具體實施方式
八中套筒4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為具體實施方式
九中套筒4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明提出的交叉組合激勵方式的管狀微超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一參見圖3至圖5，本具體實施方式
提供的交叉組合激勵方式的定子，它由壓電陶瓷元件和定子匹配塊構(gòu)成，所述壓電陶瓷元件的外表面均勻分布有八個徑向極化的供激勵振動用的外電極。
所述壓電陶瓷元件是壓電陶瓷管、壓電陶瓷柱、帶導電軸的壓電柱(外表面貼有帶電極的壓電陶瓷片的金屬柱)或帶導電管的壓電管(外表面貼有帶電極的壓電陶瓷片的金屬管)。當所述壓電陶瓷元件為壓電陶瓷管時，極化方向是從壓電陶瓷管的外表面到壓電陶瓷管的內(nèi)表面或從壓電陶瓷管的內(nèi)表面到壓電陶瓷管的外表面；其它情況的壓電陶瓷元件的極化方向與上述類似，本發(fā)明的徑向極化采用常規(guī)方法。
具體實施方式
二參見圖3和圖4，本具體實施方式
采用以下方法獲得所述具有八個外電極的壓電陶瓷元件一、選擇已經(jīng)極化后的內(nèi)外表面都鍍有一層銀膜的壓電陶瓷管3(從中科院北京聲學所購買)，它采用從外表面到內(nèi)表面的徑向極化方式；二、用膠布條將上述壓電陶瓷管3的表面銀膜均勻分為八份，然后將上述壓電陶瓷管3的內(nèi)外表面都涂上防腐漆并晾干，所述防腐漆不溶于硝酸，如DY-ZB-288防護漆；三、撕下壓電陶瓷管3外表面的膠布條并將壓電陶瓷管3放入到硝酸溶液中，停留片刻后取出，原先貼有膠布條的位置銀膜被硝酸腐蝕掉了，而原先沒有貼膠布條的位置由于防腐漆的保護銀膜被保留了下來；四、利用丙酮溶液除去壓電陶瓷管3內(nèi)外表面的防腐漆，即可獲得外表面具有八個銀電極的壓電陶瓷管3，這八個銀電極分別是第一銀電極3-1-1、第二銀電極3-1-2、第三銀電極3-1-3、第四銀電極3-1-4、第五銀電極3-1-5、第六銀電極3-1-6、第七銀電極3-1-7和第八銀電極3-1-8。本具體實施方式
提供了一種采用化學方法獲得所述具有八個外電極的壓電陶瓷元件的方法，該方法簡單、易操作。在本具體實施方式
中，壓電陶瓷管3可以替換為壓電陶瓷柱、帶導電軸的壓電柱、帶導電管的壓電管中的任意一種。
具體實施方式
三參見圖5，在本具體實施方式
中，所述具有八個外電極的壓電陶瓷元件由法蘭盤11、第一壓電管3-1和第二壓電管3-2構(gòu)成，所述第一壓電管3-1和第二壓電管3-2的外表面都均勻分布有四個極化方向相同的供激勵振動用的外電極，法蘭盤11固定連接在第一壓電管3-1和第二壓電管3-2之間且第一壓電管3-1和第二壓電管3-2的中心軸線重合，第一壓電管3-1和第二壓電管3-2的外表面電極對應連接。采用本具體實施方式
時，第一壓電管3-1和第二壓電管3-2可以購買得到；與具體實施方式
二相比，利用法蘭盤將兩個壓電管固定在一起而獲得的一個外表面具有八個電極的壓電管的方法，操作更簡單、更快捷；而且法蘭盤11還可以用于固定微超聲電機的其它結(jié)構(gòu)部件。在本具體實施方式
中，第一壓電管3-1和第二壓電管3-2可以是壓電陶瓷管3或帶導電管的壓電管，它們還可以是壓電陶瓷柱或帶導電軸的壓電柱。
具體實施方式
四參見圖9，在本具體實施方式
中，使用交叉組合激勵方式定子的微超聲電機，它含有由壓電陶瓷元件和定子匹配塊構(gòu)成的定子、轉(zhuǎn)子5及預壓力機構(gòu)，它是一種彎曲振動模態(tài)的微超聲電機，所述壓電陶瓷元件的外表面均勻分布有八個徑向極化的供激勵振動用的外電極。
具體實施方式
五參見圖9，本具體實施方式
與具體實施方式
四的不同點是所述定子匹配塊與壓電陶瓷元件同軸，而且所述定子匹配塊的一端與所述壓電陶瓷元件粘接為一體，所述定子匹配塊的另一端與轉(zhuǎn)子5的內(nèi)端面摩擦連接，所述轉(zhuǎn)子5與力矩輸出軸6同軸且轉(zhuǎn)子5與力矩輸出軸6徑向固定連接，所述預壓力機構(gòu)是由同軸地套在力矩輸出軸6上且依次緊壓著轉(zhuǎn)子5外端面的第一墊圈7-1、彈簧9、第二墊圈7-2和螺母8構(gòu)成的。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
四相同。壓電陶瓷元件與匹配塊的粘接可以采用神力鈴膠或環(huán)氧樹脂一類的膠。
具體實施方式
六參見圖6和圖9，本具體實施方式
與具體實施方式
五的不同點在于所述壓電陶瓷元件采用具體實施方式
二所制備的具有八個外電極的壓電陶瓷管3，壓電陶瓷管3的第一銀電極3-1-1、第二銀電極3-1-2、第三銀電極3-1-3、第四銀電極3-1-4、第五銀電極3-1-5、第六銀電極3-1-6、第七銀電極3-1-7和第八銀電極3-1-8依次連接sin、cos、-sin、-cos、-sin、-cos、sin、cos交流電信號的輸出端。上述激勵方法使定子產(chǎn)生所需的彎曲搖頭振動。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
七參見圖6和圖9，本具體實施方式
與具體實施方式
六的不同點在于所述定子匹配塊由兩個套筒4構(gòu)成，每個套筒4的一端都開有一個凸臺肩，所述套筒4的凸臺肩與壓電陶瓷管3粘接為一體，所述套筒4、壓電陶瓷管3及轉(zhuǎn)子5同軸地套在力矩輸出軸6上，所述力矩輸出軸6與轉(zhuǎn)子5相連接部分的外表面上設(shè)有一溝槽12，銷釘10沿轉(zhuǎn)子5的徑向插入到溝槽12中。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
六相同。溝槽12與銷釘10的配合是為了使力矩輸出軸6與轉(zhuǎn)子5同軸轉(zhuǎn)動，并且轉(zhuǎn)子5可以沿軸向?qū)Χㄗ邮┘宇A壓力。本具體實施方式
提供的是一種壓電管式的微超聲電機的結(jié)構(gòu)；公開號為1440115A的專利提供了一種壓電柱式的微超聲電機的結(jié)構(gòu)，如果用本發(fā)明所設(shè)計的交叉組合激勵方式的定子(具有八個外電極的壓電柱式定子)代替它的壓電柱即可獲得一種使用交叉組合激勵方式的壓電柱式定子的微超聲電機。
具體實施方式
八參見圖7和圖9，本具體實施方式
與具體實施方式
七的不同點在于所述套筒4的另一端為內(nèi)圓錐面，所述轉(zhuǎn)子5的內(nèi)端面為外圓錐面，所述套筒4的內(nèi)圓錐面與轉(zhuǎn)子5的內(nèi)端面的外圓錐面摩擦連接。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
七相同。
具體實施方式
九參見圖8和圖9，本具體實施方式
與具體實施方式
七的不同點在于所述套筒4的另一端為內(nèi)半球面，所述轉(zhuǎn)子5的內(nèi)端面為外半球面，所述套筒4的內(nèi)半球面與轉(zhuǎn)子5的內(nèi)端面的外半球面摩擦連接。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
七相同。
權(quán)利要求
1.交叉組合激勵方式的定子，它由壓電陶瓷元件和定子匹配塊構(gòu)成，其特征在于所述壓電陶瓷元件的外表面均勻分布有八個徑向極化的供激勵振動用的外電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉組合激勵方式的定子，其特征在于所述壓電陶瓷元件是壓電陶瓷管、壓電陶瓷柱、帶導電軸的壓電柱、帶導電管的壓電管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉組合激勵方式的定子，其特征在于所述具有八個外電極的壓電陶瓷元件由法蘭盤(11)、第一壓電管(3-1)和第二壓電管(3-2)構(gòu)成，所述第一壓電管(3-1)和第二壓電管(3-2)的外表面都均勻分布有四個極化方向相同的供激勵振動用的外電極，法蘭盤(11)固定連接在第一壓電管(3-1)和第二壓電管(3-2)之間且第一壓電管(3-1)和第二壓電管(3-2)的中心軸線重合，第一壓電管(3-1)和第二壓電管(3-2)的外表面電極對應連接。
4.使用交叉組合激勵方式定子的微超聲電機，它含有由壓電陶瓷元件和定子匹配塊構(gòu)成的定子、轉(zhuǎn)子(5)及預壓力機構(gòu)，其特征在于它是一種彎曲振動模態(tài)的微超聲電機，所述壓電陶瓷元件的外表面均勻分布有八個徑向極化的供激勵振動用的外電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的使用交叉組合激勵方式定子的微超聲電機，其特征在于所述定子匹配塊與壓電陶瓷元件同軸，而且所述定子匹配塊的一端與所述壓電陶瓷元件粘接為一體，所述定子匹配塊的另一端與轉(zhuǎn)子(5)的內(nèi)端面摩擦連接，所述轉(zhuǎn)子(5)與力矩輸出軸(6)同軸且轉(zhuǎn)子(5)與力矩輸出軸(6)徑向固定連接，所述預壓力機構(gòu)是由同軸地套在力矩輸出軸(6)上且依次緊壓著轉(zhuǎn)子(5)外端面的第一墊圈(7-1)、彈簧(9)、第二墊圈(7-2)和螺母(8)構(gòu)成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的使用交叉組合激勵方式定子的微超聲電機，其特征在于所述壓電陶瓷元件為具有八個外電極的壓電陶瓷管(3)，壓電陶瓷管(3)的第一銀電極(3-1-1)、第二銀電極(3-1-2)、第三銀電極(3-1-3)、第四銀電極(3-1-4)、第五銀電極(3-1-5)、第六銀電極(3-1-6)、第七銀電極(3-1-7)和第八銀電極(3-1-8)依次連接sin、cos、-sin、-cos、-sin、-cos、sin、cos交流電信號的輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的使用交叉組合激勵方式定子的微超聲電機，其特征在于所述定子匹配塊由兩個套筒(4)構(gòu)成，每個套筒(4)的一端都開有一個凸臺肩，所述套筒(4)的凸臺肩與壓電陶瓷管(3)粘接為一體，所述套筒(4)、壓電陶瓷管(3)及轉(zhuǎn)子(5)同軸地套在力矩輸出軸(6)上，所述力矩輸出軸(6)與轉(zhuǎn)子(5)相連接部分的外表面上設(shè)有一溝槽(12)，銷釘(10)沿轉(zhuǎn)子(5)的徑向插入到溝槽(12)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的使用交叉組合激勵方式定子的微超聲電機，其特征在于所述套筒(4)的另一端為內(nèi)圓錐面，所述轉(zhuǎn)子(5)的內(nèi)端面為外圓錐面，所述套筒(4)的內(nèi)圓錐面與轉(zhuǎn)子(5)的內(nèi)端面的外圓錐面摩擦連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的使用交叉組合激勵方式定子的微超聲電機，其特征在于所述套筒(4)的另一端為內(nèi)半球面，所述轉(zhuǎn)子(5)的內(nèi)端面為外半球面，所述套筒(4)的內(nèi)半球面與轉(zhuǎn)子(5)的內(nèi)端面的外半球面摩擦連接。
全文摘要
交叉組合激勵方式的定子及使用該定子的微超聲電機，它屬于超聲振動應用領(lǐng)域，它是為了克服現(xiàn)有微超聲電機工作效率低、微細化時輸出轉(zhuǎn)矩小的問題。本發(fā)明的交叉組合激勵方式的定子，它由壓電陶瓷元件和定子匹配塊構(gòu)成，所述壓電陶瓷元件的外表面均勻分布有八個徑向極化的供激勵振動用的外電極；本發(fā)明的微超聲電機是一種采用八個外電極的壓電陶瓷元件作為定子的彎曲振動模態(tài)微超聲電機。本發(fā)明顯著提高了電機的工作效率，改善了電機的機械特性，促進了彎曲振動超聲電機的實用化和微細化。本發(fā)明的微超聲電機相比于傳統(tǒng)的使用具有四個外電極定子的超聲波電機，其性能有明顯的改善，空載轉(zhuǎn)速提高了約23％，堵轉(zhuǎn)力矩提高了約45％。
文檔編號H02N2/00GK1773832SQ200510010488
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
發(fā)明者曲建俊, 程廷海, 張巍, 宋寶玉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學