本發(fā)明涉及壓電精密致動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)方式的行波型超聲電機(jī)。

背景技術(shù)：

超聲電機(jī)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度大，易于微型化，且電機(jī)響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，稱為目前主流發(fā)展的電機(jī)形式。

在目前常用方案中，電機(jī)的定子是由壓電陶瓷和金屬彈性體組成的特定形狀的彈性復(fù)合體。其中，壓電陶瓷采用超聲頻率的交流信號進(jìn)行激勵(lì)，進(jìn)而在定子彈性體中激勵(lì)出同頻率的機(jī)械振動(dòng)。定子輸出端面質(zhì)點(diǎn)振幅可以達(dá)到幾微米到十幾微米甚至幾十微米，通過振動(dòng)模式疊加在定子輸出端面上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生需要的運(yùn)動(dòng)軌跡，比如橢圓軌跡。轉(zhuǎn)子(或動(dòng)子)通過預(yù)壓力施加將轉(zhuǎn)子壓在定子上，通過摩擦耦合使得定子上的微觀橢圓運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子(或動(dòng)子)的宏觀運(yùn)動(dòng)輸出。但是，在目前的設(shè)計(jì)中，電機(jī)的壓電疊堆一般應(yīng)用于非共型壓電促動(dòng)器，鮮有應(yīng)用由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的共振型行波超聲電機(jī)，因此缺乏對于行波型超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，限制了目前的超聲電機(jī)應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例提供一種基于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)方式的行波型超聲電機(jī)，能夠在保證結(jié)構(gòu)簡單緊湊，響應(yīng)速度快，且易于實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，拓寬行波型超聲電機(jī)在精密控制領(lǐng)域的應(yīng)用范疇。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：

包括：機(jī)殼(1)、定子(2)、底座(3)、轉(zhuǎn)軸(4)、壓電疊堆(5)、預(yù)緊機(jī)構(gòu)(6)、墊片(7)、軸承(8)和轉(zhuǎn)子(9)，其中，預(yù)緊機(jī)構(gòu)(6)和墊片(7)共同設(shè)置并組成完整的壓電疊堆(5)的預(yù)緊機(jī)構(gòu)；所述行波型超聲電機(jī)由壓電疊堆(5)驅(qū)動(dòng)；定子(2)為環(huán)形，定子(2)內(nèi)側(cè)面為錐面，所述錐面為定子(2)的驅(qū)動(dòng)面，轉(zhuǎn)子(9)的側(cè)面為與定子(2)相切的錐面，轉(zhuǎn)子(9)的側(cè)面與定子(2)的驅(qū)動(dòng)面接觸；定子(2)的所述錐面上均勻分布相互交錯(cuò)的斜槽，且各個(gè)斜槽的槽深相等；定子(2)底部設(shè)有圓環(huán)形凹槽，壓電疊堆(5)布置于所述圓環(huán)形凹槽內(nèi)，壓電疊堆(5)一側(cè)粘接于定子(2)上；壓電疊堆(5)與定子(2)的粘接面加工為一平面，該平面的幾何尺寸大于壓電疊堆(5)與定子(2)粘接面的面積；壓電疊堆(5)均勻鑲嵌在定子(2)內(nèi)部，各個(gè)壓電疊堆(5)的外表面與金屬墊片粘接，且金屬墊片由預(yù)緊螺釘壓緊固定，且每個(gè)壓電疊堆5的導(dǎo)線連接到導(dǎo)電膜上，各個(gè)導(dǎo)電膜貼于定子(2)的底面。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)方式的行波型超聲電機(jī)，基于壓電疊堆大位移大推力低驅(qū)動(dòng)電壓的特性，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一種適用于壓電疊堆的定子結(jié)構(gòu)，可由壓電疊堆激勵(lì)出所述定子的共振模態(tài)，并且振幅明顯，能夠有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了超聲電機(jī)的低電壓驅(qū)動(dòng)。相對于典型的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)(比如典型的Φ60旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī))，最大程度的保留了原有電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)(比如圖5所示)，只通過改變電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(比如圖6所示)，即實(shí)現(xiàn)原有行波型電機(jī)的基本功能，便于利用原有的生產(chǎn)設(shè)備和零件快速投產(chǎn)、組裝，降低了生產(chǎn)成本。并且與現(xiàn)有技術(shù)相比，在本實(shí)施例提供的電機(jī)結(jié)構(gòu)由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了在行波型超聲電機(jī)中應(yīng)用。并且本實(shí)施例中的電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，與傳統(tǒng)行波型超聲電機(jī)相比較，可實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)，使得其驅(qū)動(dòng)電壓與傳統(tǒng)超聲電機(jī)相比可成倍下降。在保證結(jié)構(gòu)簡單緊湊，響應(yīng)速度快，且易于實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，拓寬行波型超聲電機(jī)在精密控制領(lǐng)域的應(yīng)用范疇。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)定子內(nèi)疊堆排布方式、極化方向以及電激勵(lì)相位示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)定子底面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)定子側(cè)視圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)剖面圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)側(cè)視圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)拆解圖；

附圖中的各數(shù)字標(biāo)號表示：1-機(jī)殼2-定子3-底座4-轉(zhuǎn)軸5-壓電疊堆6-緊固螺釘7-金屬墊片8-軸承9-轉(zhuǎn)子。

具體實(shí)施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。下文中將詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時(shí)，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個(gè)或更多個(gè)相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)的任一單元和全部組合。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)方式的行波型超聲電機(jī)，如圖4所示的由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)剖面圖、圖5所示的由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)側(cè)視圖和圖6所示的由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)拆解圖，該基于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)方式的行波型超聲電機(jī)包括：機(jī)殼1、定子2、底座3、轉(zhuǎn)軸4、壓電疊堆5、預(yù)緊機(jī)構(gòu)6、墊片7、軸承8和轉(zhuǎn)子9，其中，預(yù)緊機(jī)構(gòu)6和墊片7共同設(shè)置并組成完整的壓電疊堆5的預(yù)緊機(jī)構(gòu)。

所述行波型超聲電機(jī)由壓電疊堆5驅(qū)動(dòng)。

定子2為環(huán)形，定子2內(nèi)側(cè)面為錐面，所述錐面為定子2的驅(qū)動(dòng)面，轉(zhuǎn)子9的側(cè)面為與定子2相切的錐面，轉(zhuǎn)子9的側(cè)面與定子2的驅(qū)動(dòng)面接觸。斜槽的作用是增大定子2驅(qū)動(dòng)面的變形，促進(jìn)波導(dǎo)的行進(jìn)。

定子2的所述錐面上均勻分布相互交錯(cuò)的斜槽，且各個(gè)斜槽的槽深相等。

定子2底部設(shè)有圓環(huán)形凹槽，壓電疊堆5布置于所述圓環(huán)形凹槽內(nèi)，壓電疊堆5一側(cè)粘接于定子2上。

為保證壓電疊堆5只受與其厚度方向平行的正應(yīng)力的作用，壓電疊堆5與定子2的粘接面加工為一平面，該平面的幾何尺寸大于壓電疊堆5與定子2粘接面的面積。

壓電疊堆5均勻鑲嵌在定子2內(nèi)部，各個(gè)壓電疊堆5的外表面與金屬墊片粘接，且金屬墊片由預(yù)緊螺釘壓緊固定，且每個(gè)壓電疊堆5的導(dǎo)線連接到導(dǎo)電膜上，各個(gè)導(dǎo)電膜貼于定子2的底面。

在本實(shí)施例中，定子2底面開有一圓環(huán)形凹槽，所述圓環(huán)形凹槽內(nèi)嵌入壓電疊堆5，壓電疊堆5由墊片7、緊固螺釘8鎖緊在定子2上；定子2底面貼有導(dǎo)電膜。例如：如圖2所示，定子2底部有一圓環(huán)形凹槽，壓電疊堆5布置于所述凹槽內(nèi)，壓電疊堆5一側(cè)粘接于定子2上，為保證壓電疊堆5只受與其厚度方向平行的正應(yīng)力的作用，壓電疊堆5與定子2的粘接面加工為一平面，該平面的幾何尺寸略大于壓電疊堆5與定子2粘接面的面積，各個(gè)壓電疊堆5的外表面與金屬墊片粘接，金屬墊片由預(yù)緊螺釘壓緊。每個(gè)壓電疊堆5的導(dǎo)線連接到導(dǎo)電膜上，導(dǎo)電膜貼于定子2底面9，導(dǎo)電膜與定子2粘接的粘接面噴涂有絕緣材料。槽口10用于引出導(dǎo)電膜。

再如圖3所示的，定子2環(huán)的驅(qū)動(dòng)面為內(nèi)側(cè)的錐面11，該錐面上有交錯(cuò)的斜槽，且各個(gè)斜槽的槽深相等。斜槽的作用是增大定子2驅(qū)動(dòng)面的變形，促進(jìn)波導(dǎo)的行進(jìn)。且在本實(shí)施例的優(yōu)選方案中，定子2由磷青銅制成。

在本實(shí)施例中，在定子2內(nèi)部，壓電疊堆5環(huán)繞定子2的幾何中心均勻排布。

且在本實(shí)施例的優(yōu)選方案中，壓電疊堆5沿厚度方向極化，其中，兩個(gè)壓電疊堆5為一組，每組正反交替的均勻布置在定子2的圓環(huán)形凹槽中；共設(shè)置12個(gè)均布的壓電疊堆5來激勵(lì)定子2的工作模態(tài)，其中，相鄰兩疊堆之間相差30°。

在本實(shí)施例中，所述相鄰兩疊堆之間的電激勵(lì)相位相差90°，12個(gè)壓電疊堆5分為6組，且相鄰兩組之間的壓電疊堆5的極化方向相反，其中，電激勵(lì)信號為正弦波。例如：如圖1所示，定子2內(nèi)部壓電疊堆5環(huán)繞定子2環(huán)幾何中心均勻排布，采用12個(gè)壓電疊堆5激勵(lì)定子2工作模態(tài)，相鄰兩疊堆之間相差30°。并采用正弦波作為電激勵(lì)信號，相鄰兩疊堆之間電激勵(lì)相位相差90°。其中，壓電疊堆5的極化方向如圖1所示，圖1中各個(gè)箭頭的指向表示對應(yīng)壓電疊堆5的極化方向。

為了使轉(zhuǎn)子9與定子2充分接觸從而增大電機(jī)的輸出扭矩，在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子9的側(cè)面為與定子2相切的錐面。其中，轉(zhuǎn)子9的側(cè)面涂有摩擦材料，例如：如圖4、5、6所示的轉(zhuǎn)子9的側(cè)面為與定子2相切的錐面上，轉(zhuǎn)子9與定子2的接觸面涂有摩擦材料。具體的，如圖4、5、6所示，轉(zhuǎn)子9與定子2的預(yù)壓力通過轉(zhuǎn)軸4施加，預(yù)壓力通過調(diào)整機(jī)殼1與轉(zhuǎn)軸4之間金屬墊片的個(gè)數(shù)調(diào)整，轉(zhuǎn)軸4與轉(zhuǎn)子9通過螺釘連接。旋進(jìn)螺釘9與墊片7相接處，改變其旋進(jìn)量的大小可調(diào)節(jié)金屬墊片施加給壓電疊堆5的預(yù)緊力大小。定子2通過螺絲連接固定在底座3上。其中，墊片7具體為金屬墊片。

在本實(shí)施例中，定子2的工作模態(tài)采用環(huán)內(nèi)B03、B06、B09模態(tài)。在優(yōu)選方案中，定子2工作模態(tài)為環(huán)內(nèi)B03模態(tài)。且本實(shí)施例中，可以通過反向施加電壓可實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

在本實(shí)施例中，基于壓電疊堆大位移大推力低驅(qū)動(dòng)電壓的特性，設(shè)計(jì)了一種適用于壓電疊堆的定子結(jié)構(gòu)，可由壓電疊堆激勵(lì)出所述定子的共振模態(tài)，并且振幅明顯，能夠有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了超聲電機(jī)的低電壓驅(qū)動(dòng)。相對于典型的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)(比如典型的Φ60旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī))，最大程度的保留了原有電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)(比如圖5所示)，只通過改變電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(比如圖6所示)，即實(shí)現(xiàn)原有行波型電機(jī)的基本功能，便于利用原有的生產(chǎn)設(shè)備和零件快速投產(chǎn)、組裝，降低了生產(chǎn)成本。并且與現(xiàn)有技術(shù)相比，在本實(shí)施例提供的電機(jī)結(jié)構(gòu)由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的行波型超聲電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了在行波型超聲電機(jī)中應(yīng)用。并且本實(shí)施例中的電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，與傳統(tǒng)行波型超聲電機(jī)相比較，可實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)，使得其驅(qū)動(dòng)電壓與傳統(tǒng)超聲電機(jī)相比可成倍下降。在保證結(jié)構(gòu)簡單緊湊，響應(yīng)速度快，且易于實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，拓寬行波型超聲電機(jī)在精密控制領(lǐng)域的應(yīng)用范疇。

本說明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對于設(shè)備實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部分說明即可。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。