專利名稱：基于彎曲振動模式的壓電超聲微馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電超聲微馬達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于自由彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
壓電超聲微馬達(dá)作為精密儀器的驅(qū)動元件有廣泛的應(yīng)用。日本于1993年12月24日公布了一項題為“超聲波馬達(dá)”的專利，該專利為一種典型的基于夾心式壓電陶瓷換能器彎曲振動模式的壓電超聲微馬達(dá)，其結(jié)構(gòu)如

圖1所示，該馬達(dá)定子10固定在一固定物體18上，馬達(dá)定子由下匹配塊101，上匹配塊102，上下匹塊之間緊壓的壓電陶瓷103組成，上匹配塊為波紋管，一中心固定螺桿12，通過上下匹配塊中心孔的螺紋將置于其間的壓電陶瓷壓緊，螺桿下端擰入固定物體18中與之固連。帶有齒輪盤的馬達(dá)轉(zhuǎn)子11插入螺桿上端部，通過螺母121緊壓在102上端面與其緊密接觸。
當(dāng)給這種馬達(dá)壓電陶瓷輸入電信號后，在固定界面一端處馬達(dá)定子形式波動節(jié)面，另一端馬達(dá)轉(zhuǎn)子為自由端面，則產(chǎn)生行波波動，馬達(dá)轉(zhuǎn)子11繞固定軸12旋轉(zhuǎn)，靠轉(zhuǎn)子上的齒輪110產(chǎn)生力矩輸出。
這種馬達(dá)有以下不足之處，其一，馬達(dá)不是獨立元件，馬達(dá)定子必須固定在某固定物體或較重的物體上，才能在固定面形成波動節(jié)面，在自由端產(chǎn)生波動輸出，其二，轉(zhuǎn)子負(fù)載較大時，將使轉(zhuǎn)子受到一垂直軸向的橫向力，將改變轉(zhuǎn)子、定子間的均勻壓力分布，導(dǎo)致依靠摩擦力輸出力矩的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，輸出力矩下降；其三，轉(zhuǎn)子依靠齒輪輸出，被驅(qū)動件也必須是齒輪轉(zhuǎn)動，使整個傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高；其四，由于受馬達(dá)定子尺寸限制，馬達(dá)轉(zhuǎn)子上的齒輪外徑不能小于定子尺寸，當(dāng)驅(qū)動件尺寸很小，結(jié)果造成大齒輪轉(zhuǎn)動小齒輪，使轉(zhuǎn)速反而變快，為此不得不采取多個齒輪轉(zhuǎn)動的方法，使速度減下來，這不便于用在一些空間受限制，要求低速精密驅(qū)動的場合。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種軸輸出力矩的新型壓電超聲微馬達(dá)，使其不但在同樣輸入電功率情況下，能在定子端面表面激發(fā)更大的波動振幅，改善定子、轉(zhuǎn)子之間的摩擦傳動效果，而且使其成為一種結(jié)構(gòu)簡單的獨立元件，具有工作穩(wěn)定，壽命長、體積小的諸多優(yōu)點。
本發(fā)明提出一種基于彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達(dá)結(jié)構(gòu)，包括中心軸及套于軸上的定子和轉(zhuǎn)子，所說的定子由上、下匹配塊及緊壓于上、下匹配塊之中的壓電陶瓷環(huán)片構(gòu)成，所說的上匹配塊為波紋管，所說的轉(zhuǎn)子緊壓于所說的上匹配塊的上端部，其特征在于所說的定子的上、下兩端內(nèi)壁置有一對軸承，所說的中心軸置于兩軸承之中，所說的轉(zhuǎn)子與所說的中心軸通過壓力機(jī)構(gòu)緊配合。
本發(fā)明所說的波紋管與轉(zhuǎn)子接觸的端面可切有多個槽口。所說的壓力機(jī)構(gòu)由中心軸上端部連接的法蘭盤，彈簧片，轉(zhuǎn)子上端面粘有的環(huán)形橡膠片以及插入軸下端部一環(huán)形槽的軸檔卡環(huán)構(gòu)成。
本發(fā)明所說的下匹配塊可為一帶有預(yù)緊螺桿和中心通孔的圓柱塊，所說的壓電陶瓷環(huán)片套于該螺桿外，壓電陶瓷環(huán)片與螺桿之間還可有絕緣套；所說的波紋管下端中心圓孔內(nèi)有內(nèi)螺紋與該螺桿螺合并壓緊所說的壓電陶瓷環(huán)片。
本發(fā)明所說的中心軸位于下匹配塊下端面處可開有一環(huán)形槽，所說的一軸檔卡環(huán)嵌在其中。
本發(fā)明所說的馬達(dá)，是基于棒的自由-自由彎曲振動模式。
本發(fā)明所說的壓電陶瓷環(huán)片可采用高壓電常數(shù)d33低機(jī)械品質(zhì)因素Qm的軟性壓電陶瓷材料制成。
本發(fā)明所述的微馬達(dá)有如下特點第一，本發(fā)明基于棒的自由-自由彎曲振動模式，無須與一固定物相連，無須使定子一端產(chǎn)生波節(jié)，一端產(chǎn)生波幅，而是一個獨立的、作自由彎曲振動的驅(qū)動元件。因而使其具有更廣的應(yīng)用場合；第二，本發(fā)明設(shè)置了一對軸承元件，轉(zhuǎn)子通過一彈性壓力機(jī)構(gòu)帶動中心軸輸出力矩，使在相同的輸出電功率下有更強(qiáng)的帶負(fù)載能力，特別是在承受垂直軸向方向的不對稱負(fù)載時，顯示更好的負(fù)載性能，并簡化產(chǎn)生力矩輸出的傳動機(jī)構(gòu)。
第三，本發(fā)明波紋管上端面開有槽，可放大波動振幅和改善摩擦驅(qū)動效果。
第四，本發(fā)明采用高壓電常數(shù)d33，較低機(jī)械品質(zhì)因素Qm的軟性壓電陶瓷，可使馬達(dá)具有寬的工作頻率，無需頻率跟蹤，使驅(qū)動電路大為簡化，馬達(dá)定子上也無需反饋壓電陶瓷片。
附圖簡要說明圖1為已有技術(shù)的微馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的實施例總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實施例壓力機(jī)構(gòu)示意圖。
圖4為本實施例壓電陶瓷及激勵方式示意圖。
本發(fā)明設(shè)計出一種基于彎曲振動模式的壓電超聲微馬達(dá)實施例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下本實施例的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該馬達(dá)由定子20，轉(zhuǎn)子21，中心軸22及壓力機(jī)構(gòu)24所組成。其中定子20由放大彎曲振動振幅的波紋管201，產(chǎn)生彎曲振動的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件的二對壓電陶瓷環(huán)片202，與波紋管相連，并將壓電陶瓷片緊壓在其中的下匹配塊203構(gòu)成一個夾心式自由彎曲振動模式驅(qū)動定子。下匹配塊203是由帶有中心通孔的圓柱2031和與之聯(lián)成一體的予緊螺桿2032構(gòu)成，螺桿2032與波紋管201下端部螺孔配合聯(lián)接，將套于予緊螺桿上并通過絕緣套2021與其絕緣的壓電陶瓷202壓緊。
定子的下匹配塊下端部內(nèi)和波紋管上端部內(nèi)部安裝一對軸承231，232，使中心軸22被較好的定心；中心軸通過壓力機(jī)構(gòu)24與轉(zhuǎn)子緊配合，轉(zhuǎn)子可驅(qū)動中心軸產(chǎn)生力矩輸出。波紋管的上端面切有一組槽2011，構(gòu)成馬達(dá)定子的波動輸出面，槽2011的作用是放大彎曲波動振幅和增加定子，轉(zhuǎn)子之間的摩擦效果，提高力矩輸出。依靠波動和摩擦來驅(qū)動轉(zhuǎn)子時，在輸出面會因摩擦損耗出現(xiàn)一些細(xì)小顆粒，槽2011的另一個作用是充許這些顆粒落入槽中，從而改善馬達(dá)運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。
本實施例的壓力機(jī)構(gòu)24如圖3所示。馬達(dá)壓力機(jī)構(gòu)由中心軸22上端部連接的法蘭盤241，通過銷釘245與法蘭盤214聯(lián)接的彈簧片242，轉(zhuǎn)子上端面粘有的環(huán)形橡膠片243以及插入軸22下端部一環(huán)形槽221的卡環(huán)244構(gòu)成。馬達(dá)中心軸通過上述壓力機(jī)構(gòu)保持轉(zhuǎn)子與定子之間的壓力恒定，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，通過粘在轉(zhuǎn)子上的橡膠片和緊壓其上的彈性蝶片之間的摩擦力帶動軸一起旋轉(zhuǎn)，定子上的上下軸承對中心軸起定軸心的作用，允許馬達(dá)中心軸在帶負(fù)載輸出時承受橫向載荷，而不影響轉(zhuǎn)子、定子之間的壓力，使轉(zhuǎn)子輸出更平穩(wěn)有力，帶負(fù)載能力更強(qiáng)。采用軸輸出，可省去齒能輸出的諸多不便。
本實施例激勵彎曲振動的一組壓電陶瓷元件和激勵方式如圖4所示。一對正交電壓信號Simwt，coswt輸入到二組壓電陶瓷環(huán)片2021，2022中，其工作頻率為馬達(dá)定子的諧振頻率。本實施例的壓電陶瓷是采用一種軟性、高壓電常數(shù)(d33＞580×10-12C/N)，低機(jī)械品質(zhì)質(zhì)數(shù)(Qm～100)的材料，具有寬頻帶，無需電路上的頻率跟蹤，無需用于信號反饋的壓電陶瓷元件，使馬達(dá)驅(qū)動電源更簡化。
本實施例的壓電超聲微馬達(dá)，顯示出低速、大力矩、和優(yōu)異的高分辨率(～0.010°)特性，其主要參數(shù)及性能指標(biāo)如下外形尺寸為圓柱型，直徑15mm，長30mm；工作頻率35KHz；空載轉(zhuǎn)速71.4轉(zhuǎn)/分；最大力矩550gf.cm；最小角分辨率0.010°。
權(quán)利要求
1.一種基于自由彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達(dá)結(jié)構(gòu)，包括中心軸及套于軸上的定子和轉(zhuǎn)子，所說的定子由上、下匹配塊及緊壓于上、下匹配塊之中的壓電陶瓷環(huán)片構(gòu)成，所說的上匹配塊為波紋管，所說的轉(zhuǎn)子緊壓于所說的上匹配塊的上端部，其特征在于所說的定子的上、下兩端內(nèi)壁置有一對軸承，所說的中心軸置于兩軸承之中，所說的轉(zhuǎn)子與所說的中心軸通過壓力機(jī)構(gòu)緊配合。
2.如權(quán)利要求1所述的馬達(dá)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的波紋管與轉(zhuǎn)子接觸的端面切有多個槽口。
3.如權(quán)利要求1所述的圓柱狀壓電超聲微馬達(dá)，是基于棒的自由-自由彎曲振動模式的獨立驅(qū)動元件。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于自由彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達(dá)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的壓力機(jī)構(gòu)由中心軸上端部連接的法蘭盤，彈簧片，轉(zhuǎn)子上端面粘有的環(huán)形橡膠片以及插入中心軸下端部一環(huán)形槽的軸檔卡環(huán)構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于自由彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達(dá)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的下匹配塊為一個帶有預(yù)緊螺桿和中心通孔的圓柱塊，所說的壓電陶瓷環(huán)片套于該螺桿外，所說的波紋管下端中心圓孔內(nèi)有內(nèi)螺紋與該螺桿螺合并壓緊所說的壓電陶瓷環(huán)片。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于自由彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達(dá)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的中心軸位于下匹配塊下端面處開有一環(huán)形槽，所說的一軸檔卡環(huán)嵌在其中。
7.如權(quán)利要求1所說的一種基于自由彎曲振動模式的壓電超聲微馬達(dá)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的壓電陶瓷環(huán)片采用高壓電常數(shù)d33低機(jī)械品質(zhì)因素Qm的軟性壓電陶瓷材料制成。
全文摘要
本發(fā)明屬于壓電超聲微馬達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明包括中心軸及套于軸上的定子和轉(zhuǎn)子，定子由上、下匹配塊及緊壓于其中的壓電陶瓷環(huán)片構(gòu)成，定子的內(nèi)壁置有一對軸承；中心軸置于兩軸承之中，通過壓力機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)子緊配合，并輸出轉(zhuǎn)子的力矩?？稍试S馬達(dá)具有更強(qiáng)帶負(fù)載能力，簡化帶負(fù)載的傳動機(jī)構(gòu)，使馬達(dá)成為一種結(jié)構(gòu)簡單的獨立驅(qū)動元件；另外，定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸面的端面切有若干槽，能在定子端面表面激發(fā)更大的波動振幅，改善定子、轉(zhuǎn)子之間的摩擦傳動效果。
文檔編號H02N2/10GK1169055SQ9711180
公開日1997年12月31日 申請日期1997年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月20日
發(fā)明者董蜀湘, 王樹昕, 邱海波, 李龍土, 桂治輪 申請人:清華大學(xué), 華陽實業(yè)集團(tuán)公司