超声波电机定子及超声波电机的制作方法

1.本实用新型涉及电机技术领域，更具体地，涉及一种超声波电机定子及超声波电机。


背景技术：

2.传统电机按照种类主要可以分为伺服电机、步进电机、无刷电机等多种形式，利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。传统的电磁电机工作过程中转速高、效率高、在相同体积和重量下获得的扭矩低。同时需要利用线圈产生磁力，线圈的圈数决定了电机的形状、体积和扭矩，如果需要制作超薄电机，在方案上存在很多缺陷。
3.而超声波电机的工作原理与传统电磁电机有非常大的差异，超声波电机利用的是压电材料的逆压电效应，把电能转换为有序的超声波振动，通过摩擦的方式转换成旋转扭矩。
4.现有超声波电机多采用玻纤材料、环氧树脂材料作为基板，此类材料对温度敏感，导致电机性能差，无法长期稳定工作，只能用于短暂触动型的使用场景。同时设计时没有齿槽，无法排屑，电机长时间工作会出现粉尘留在定子与转子的接触面上，无法排出的现象，影响电机的稳定输出，导致使用寿命缩短的问题。
5.综上所述，亟需设计一种新型的超声波电机，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种超声波电机定子及超声波电机，以解决现有的技术问题，使得超声波电机可以长期工作并提供稳定的输出。
7.根据本实用新型的一方面，提供一种超声波电机定子，包括基板、设置在基板的正反两面的多个压电陶瓷以及多个金属块，所述基板的中部具有通孔，所述基板的正反两面均设置有环绕所述通孔的振动区以及所述振动区外围的线路区，所述压电陶瓷和所述金属块均位于所述振动区，所述压电陶瓷呈环形排布，形成位于所述基板正反两面的压电陶瓷环，所述金属块位于相邻的两压电陶瓷之间，所述金属块的高度小于所述压电陶瓷的高度，以使所述压电陶瓷环具有齿槽结构。
8.优选地，所述振动区通过连接脚与所述线路区相连，所述振动区与所述线路区之间具有间隙。
9.优选地，所述线路区设置有信号输入端，所述振动区和所述线路区中具有将所述信号输入端与所述压电陶瓷电连接的导电线路。
10.优选地，所述压电陶瓷的数量为8的倍数。
11.优选地，所述压电陶瓷的输入电极位于所述压电陶瓷的相对的两个侧面，所述输入电极的平面与所述基板的平面垂直，所述输入电极与所述金属块焊接相连。
12.优选地，所述信号输入端包括第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端，其中，所述第一信号输入端用于输入sin信号，所述第二信号输入端用于输入cos信号，
所述第三信号输入端接地。
13.优选地，所述压电陶瓷每8颗为一组，相邻组间的sin信号的相位差为90
°
，相邻组间的cos信号的相位差为90
°
。
14.优选地，通过将所述第一信号输入端和所述第二信号输入端的输入信号互换以实现电机正反转切换。
15.优选地，从所述信号输入端输入pwm信号，通过调节所述pwm信号的频率以控制超声波电机的速度。
16.优选地，所述基板上包括焊盘，所述金属块与所述焊盘焊接相连。
17.优选地，所述连接脚的数量不少于两个。
18.优选地，所述连接脚的形状包括矩形、l形、梯形、弧形中的至少一种。
19.优选地，所述基板为陶瓷基板、pcb基板中的一种。
20.根据本实用新型的一方面，还提供一种超声波电机，其特征在于，包括：如上所述的超声波电机定子；第一转子，位于所述基板的一侧，与所述压电陶瓷相对；第二转子，位于所述基板的另一侧，与所述压电陶瓷相对；弹性片，位于所述第一转子远离所述基板的一侧；输出轴，位于所述第二转子远离所述基板的一侧，所述输出轴上具有用于传递转动的卡块；第一摩擦层，位于所述第一转子与所述超声波电机定子之间；以及第二摩擦层，位于所述第二转子与所述超声波电机定子之间；其中，所述弹性片、所述第一转子、所述基板、所述第二转子和所述输出轴通过位于两端的第一锁紧件和第二锁紧件锁紧。
21.优选地，所述弹性片用于提供所述第一转子、所述第二转子与所述压电陶瓷间的预压力。
22.优选地，所述输出轴至少部分伸入所述第二转子、所述基板的通孔中，以对所述第二转子进行限位。
23.优选地，所述弹性片与所述第一转子的内圈相接触，所述输出轴的卡块的上表面与所述第二转子的内圈相接触。
24.本实用新型提供的超声波电机定子及超声波电机，通过在基板的正反两面设置压电陶瓷以及在相邻的压电陶瓷之间设置金属块，实现了压电陶瓷高于金属块，使由压电陶瓷组成的压电陶瓷环具有齿槽结构，齿槽不仅可以放大振动，还可以起到排屑作用，提高了超声波电机的扭矩及使用寿命。
25.进一步地，通过采用陶瓷基板，陶瓷材料相比于常规电路板具有刚性高、回弹性好、导热快、温度稳定性能好的特点，可以提高超声波电机的工作频率、转速和扭矩，克服温度漂移问题，使超声波电机可以长期稳定工作。
26.进一步地，本技术的超声波电机在转子与定子之间还设置有摩擦层，摩擦层粘贴于转子的表面，通过改变摩擦层的材料，获取适当的阻尼和耐磨性，提升超声波电机的性能。
27.本实用新型提供的超声波电机工作步距小、控制精度高；可通过改变输入信号的频率实现调速，通过给予信号波的数量对超声波电机的步进距离进行调整。
附图说明
28.通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目
的、特征和优点将更为清楚。
29.图1示出了本实用新型实施例超声波电机的爆炸示意图；
30.图2示出了本实用新型实施例超声波电机的三维俯视图；
31.图3示出了本实用新型实施例超声波电机的三维仰视图；
32.图4示出了本实用新型实施例超声波电机的截面示意图；
33.图5a至图5d示出了本实用新型第一实施例超声波电机的基板的示意图；
34.图6a和图6b示出了本实用新型第二实施例超声波电机的基板的示意图；
35.图7示出了本实用新型实施例超声波电机的压电陶瓷的示意图。
36.图8示出了本实用新型实施例超声波电机的压电陶瓷组的示意图。
具体实施方式
37.以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
38.应当理解，在描述结构时，当将一个部件、一个区域称为位于另一部件、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一部件、另一个区域上面，或者在其与另一部件、另一个区域之间还包含其它的部件或区域。并且，如果将零件翻转，该部件或区域将位于另一部件、另一个区域“下面”或“下方”。
39.如果为了描述直接位于另一部件、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在
……
上面”或“在
……
上面并与之邻接”的表述方式。
40.在下文中描述了本实用新型部分实施例的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。
41.本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
42.图1示出了本实用新型实施例超声波电机的爆炸示意图；图中可见该超声波电机包括：第一锁紧件110、弹性片120、第一转子130、第一摩擦层140、基板150、第二摩擦层160、第二转子170、输出轴180、第二锁紧件190；其中，上述各部件均同轴设置，基板150例如为pcb基板，基板150上包括若干环形布置的压电陶瓷151，第一锁紧件110例如为螺母，第二锁紧件190例如为螺栓，第二锁紧件190依次穿过位于第一锁紧件110与第二锁紧件190之间的各部件，并与第一锁紧件110相连，第一锁紧件110和第二锁紧件190将两者之间的各部件夹紧，通过弹性片120为第一转子130、第二转子170与定子间提供预压力，采用第一转子130与第二转子170夹持定子，第一转子130和第二转子170同时与定子的两面接触形成动力输出，以提高摩擦驱动能力。第一摩擦层140和第二摩擦层160分别与第一转子130和第二转子170的表面粘接，第一摩擦层140和第二摩擦层160例如采用特定的聚四氟乙烯材料，通过改变材料特性获得适当的耐磨性和阻尼，提高超声波电机的扭矩，实现超声波电机性能的提升。
43.图2、图3和图4分别示出了本实用新型实施例超声波电机的三维俯视图、仰视图和截面图；从中可以看出，该超声波电机通过第一锁紧件110与第二锁紧件190的配合将整体锁紧，弹性片120的外圈通过与第一转子130的内圈相接触以将第一转子130压紧，使第一转子130与基板150上的定子贴紧；输出轴180上具有沿周向排布的四个扇形的卡块181，四个
卡块181呈环形排布，卡块181在其内侧上方与输出轴180相连，四个扇形卡块181形成联轴器的功能，卡块181的上表面低于输出轴180的顶面，卡块181的下表面凸出输出轴180的底面，卡块181的边缘也凸出输出轴180的侧面，输出轴180的顶面插入第二转子170中以进行限位，卡块181的上表面与第二转子170的内圈相接触以压紧第二转子170，使其与基板150上的定子贴紧。外部负载可通过与输出轴180相连，利用卡块181与输出轴180同步转动。
44.图5a至图5d示出了本实用新型第一实施例超声波电机的基板的示意图，其中，基板150的中间具有通孔158，通孔158外侧为环形的振动区151，振动区151的外侧为线路区152，基板150的正反两面均设置有振动区151和线路区152，振动区151上设置有环形分布的用于焊接金属块的焊盘，金属块与压电陶瓷呈环形交替设置，压电陶瓷粘接在振动区151，振动区151与线路区152之间具有供振动区151振动的间隙154，振动区151通过连接脚153与线路区152相连，连接脚153的数量不小于2个，具体地，该连接脚153的数量例如为3个，形状例如为l形，连接脚153沿振动区151等间距圆周排布。振动区151和线路区152均印刷有特定的导电线路，并通过连接脚153相连通。如图5a所示，该基板150正面的导电线路从振动区151的左右两个连接脚153引出，并分别连接至基板150边缘的第一信号输入端155和第二信号输入端156，其左侧的第一信号输入端155例如用于输入sin相的波形信号，右侧的第二信号输入端156例如用于输入cos相的波形信号，参见图5b，该基板150背面的导电线路从振动区151顶部的连接脚153引出，并连接至基板150边缘的第三信号输入端157，该第三信号输入端157例如用于接地。在基板150的线路区152的四角位置设置有用于固定该基板150的通孔159。
45.如图5c所示，基板150、基板150正反两面的压电陶瓷15和金属块17共同组成该超声波电机的定子，具体地，在振动区151的正反两面均设置有压电陶瓷15，根据图5d所示的n区域的局部放大图，振动区151上还具有用于与压电陶瓷15的输入电极连接的金属块17，该金属块17的高度小于压电陶瓷15的高度，使相邻的压电陶瓷15之间形成凹槽，该凹槽与压电陶瓷15形成齿槽结构，该金属块17将相邻的压电陶瓷15相隔开，还可通过调整该金属块17的尺寸，控制相邻的压电陶瓷15之间的间距d以及凹槽的深度h。
46.进一步地，图6a和图6b示出了本实用新型第二实施例超声波电机的基板的示意图；该实施例中的基板例如为陶瓷基板，其结构与第一实施例中的基板大致相同，不同之处在于其连接脚253为矩形。
47.图7和图8分别示出了本实用新型实施例超声波电机的压电陶瓷和压电陶瓷组的示意图。如图7所示，单个压电陶瓷15例如为四棱柱状，其相对的左右两侧的底部区域设置有输入电极16，输入电极16与金属块17焊接相连，振动区151上压电陶瓷15的数量例如为8的倍数，如图8所示，多个压电陶瓷15形成压电陶瓷组，具体地，压电陶瓷15每8颗为一组，通过在基板150的正反两面排列形成压电陶瓷环，正反面的导电线路通过振动区151内的金属化孔相互连接；在单个压电陶瓷组中包括两个压电陶瓷单元，例如以压电陶瓷单元a为例，位于振动区151两侧相对的压电陶瓷15的正负极相反，位于振动区151同一侧相邻的压电陶瓷15的同极相对。为了展示压电陶瓷15与输入信号及地线的连接关系，图8中以a、b、c、d四个单元共计两组作为示例，其中单元a和单元b为一组，单元c和单元d为一组，图中可见每个压电陶瓷单元通过压电陶瓷15左右两侧的输入电极16、金属块17及导电线路与第三信号输入端157相连；单元a和单元c通过压电陶瓷单元中的输入电极16、金属块17及导电线路与
cos相的第二信号输入端156相连，单元b和单元d通过压电陶瓷单元中的输入电极16、金属块17及导电线路与sin相的第一信号输入端155相连，相邻压电陶瓷单元间的输入信号的导电线路从振动区151的不同侧引出，且相邻两组的sin信号的相位差为90
°
，相邻两组的cos信号的相位差为90
°
，输入信号均为pwm信号，通过调节pwm信号的工作频率可以控制超声波电机的速度。
48.进一步地，该压电陶瓷15选用纵向振动的压电材料d33。
49.工作过程中压电陶瓷15以四颗为一个单元(正面两颗和背面两颗)，信号输入后，正面两颗压电陶瓷15拉伸，同时对应的背面两颗压电陶瓷15收缩，压电陶瓷15形变产生的力作用于振动区151，使基板150的振动区151产生有序的形变，振动区151在不断的形变和恢复中产生震动，震动作用于正、反面的第一转子130和第二转子170上，从而使第一转子130和第二转子170转动，通过将第一信号输入端155与第二信号输入端156的输入信号相互调换可以实现超声波电机的正、反转的切换。
50.本实用新型提供的超声波电机，通过在基板的正反两面设置压电陶瓷以及在相邻的压电陶瓷之间设置金属块，实现了压电陶瓷高于金属块，使由压电陶瓷组成的压电陶瓷环具有齿槽结构，齿槽不仅可以放大振动，还可以起到排屑作用，提高了超声波电机的扭矩及使用寿命。
51.进一步地，通过采用陶瓷基板，陶瓷材料相比于常规电路板具有刚性高、回弹性好、导热快、温度稳定性能好的特点，可以提高超声波电机的工作频率、转速和扭矩，克服温度漂移问题，使超声波电机可以长期稳定工作。
52.进一步地，本技术的超声波电机在转子与定子之间还设置有摩擦层，摩擦层粘贴于转子的表面，通过改变摩擦层的材料，获取适当的阻尼和耐磨性，提升超声波电机的性能。
53.本实用新型提供的超声波电机工作步距小、控制精度高；可通过改变输入信号的频率实现调速，通过给予信号波的数量对超声波电机的步进距离进行调整。
54.在以上的描述中，对于各部件的位置组合、连接方式等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需连接关系等。另外，为了具有同一功能，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的结构并不完全相同的结构。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
55.以上对本实用新型的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本实用新型的范围。本实用新型的范围由所附权利要求及其等效限定。不脱离本实用新型的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本实用新型的范围之内。