基于弯曲振动模式的压电超声波微电动机制造技术

本发明专利技术属于压电超声微马达技术领域，本发明专利技术包括中心轴及套于轴上的定子和转子，定子由上、下匹配块及紧压于其中的压电陶瓷环片构成，定子的内壁置有一对轴承；中心轴置于两轴承之中，通过压力机构与转子紧配合，并输出转子的力矩。可允许马达具有更强带负载能力，简化带负载的传动机构，使马达成为一种结构简单的独立驱动元件；另外，定子与转子之间的接触面的端面切有若干槽，能在定子端面表面激发更大的波动振幅，改善定子、转子之间的摩擦传动效果。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压电超声微马达
，特别涉及基于自由弯曲振动模式的圆柱状压电超声微马达的结构设计。压电超声微马达作为精密仪器的驱动元件有广泛的应用。日本于1993年12月24日公布了一项题为“超声波马达”的专利，该专利为一种典型的基于夹心式压电陶瓷换能器弯曲振动模式的压电超声微马达，其结构如附图说明图1所示，该马达定子10固定在一固定物体18上，马达定子由下匹配块101，上匹配块102，上下匹块之间紧压的压电陶瓷103组成，上匹配块为波纹管，一中心固定螺杆12，通过上下匹配块中心孔的螺纹将置于其间的压电陶瓷压紧，螺杆下端拧入固定物体18中与之固连。带有齿轮盘的马达转子11插入螺杆上端部，通过螺母121紧压在102上端面与其紧密接触。当给这种马达压电陶瓷输入电信号后，在固定界面一端处马达定子形式波动节面，另一端马达转子为自由端面，则产生行波波动，马达转子11绕固定轴12旋转，靠转子上的齿轮110产生力矩输出。这种马达有以下不足之处，其一，马达不是独立元件，马达定子必须固定在某固定物体或较重的物体上，才能在固定面形成波动节面，在自由端产生波动输出，其二，转子负载较大时，将使转子受到一垂直轴向的横向力，将改变转子、定子间的均匀压力分布，导致依靠摩擦力输出力矩的转子的转速不稳，输出力矩下降；其三，转子依靠齿轮输出，被驱动件也必须是齿轮转动，使整个传动结构复杂，造价高；其四，由于受马达定子尺寸限制，马达转子上的齿轮外径不能小于定子尺寸，当驱动件尺寸很小，结果造成大齿轮转动小齿轮，使转速反而变快，为此不得不采取多个齿轮转动的方法，使速度减下来，这不便于用在一些空间受限制，要求低速精密驱动的场合。本专利技术的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种轴输出力矩的新型压电超声微马达，使其不但在同样输入电功率情况下，能在定子端面表面激发更大的波动振幅，改善定子、转子之间的摩擦传动效果，而且使其成为一种结构简单的独立元件，具有工作稳定，寿命长、体积小的诸多优点。本专利技术提出一种基于弯曲振动模式的圆柱状压电超声微马达结构，包括中心轴及套于轴上的定子和转子，所说的定子由上、下匹配块及紧压于上、下匹配块之中的压电陶瓷环片构成，所说的上匹配块为波纹管，所说的转子紧压于所说的上匹配块的上端部，其特征在于所说的定子的上、下两端内壁置有一对轴承，所说的中心轴置于两轴承之中，所说的转子与所说的中心轴通过压力机构紧配合。本专利技术所说的波纹管与转子接触的端面可切有多个槽口。所说的压力机构由中心轴上端部连接的法兰盘，弹簧片，转子上端面粘有的环形橡胶片以及插入轴下端部一环形槽的轴档卡环构成。本专利技术所说的下匹配块可为一带有预紧螺杆和中心通孔的圆柱块，所说的压电陶瓷环片套于该螺杆外，压电陶瓷环片与螺杆之间还可有绝缘套；所说的波纹管下端中心圆孔内有内螺纹与该螺杆螺合并压紧所说的压电陶瓷环片。本专利技术所说的中心轴位于下匹配块下端面处可开有一环形槽，所说的一轴档卡环嵌在其中。本专利技术所说的马达，是基于棒的自由-自由弯曲振动模式。本专利技术所说的压电陶瓷环片可采用高压电常数d33低机械品质因素Qm的软性压电陶瓷材料制成。本专利技术所述的微马达有如下特点第一，本专利技术基于棒的自由-自由弯曲振动模式，无须与一固定物相连，无须使定子一端产生波节，一端产生波幅，而是一个独立的、作自由弯曲振动的驱动元件。因而使其具有更广的应用场合；第二，本专利技术设置了一对轴承元件，转子通过一弹性压力机构带动中心轴输出力矩，使在相同的输出电功率下有更强的带负载能力，特别是在承受垂直轴向方向的不对称负载时，显示更好的负载性能，并简化产生力矩输出的传动机构。第三，本专利技术波纹管上端面开有槽，可放大波动振幅和改善摩擦驱动效果。第四，本专利技术采用高压电常数d33，较低机械品质因素Qm的软性压电陶瓷，可使马达具有宽的工作频率，无需频率跟踪，使驱动电路大为简化，马达定子上也无需反馈压电陶瓷片。附图简要说明图1为已有技术的微马达结构示意图。图2为本专利技术的实施例总体结构示意图。图3为本实施例压力机构示意图。图4为本实施例压电陶瓷及激励方式示意图。本专利技术设计出一种基于弯曲振动模式的压电超声微马达实施例，其结构如图2所示，结合附图详细说明如下本实施例的总体结构如图2所示，该马达由定子20，转子21，中心轴22及压力机构24所组成。其中定子20由放大弯曲振动振幅的波纹管201，产生弯曲振动的机电转换元件的二对压电陶瓷环片202，与波纹管相连，并将压电陶瓷片紧压在其中的下匹配块203构成一个夹心式自由弯曲振动模式驱动定子。下匹配块203是由带有中心通孔的圆柱2031和与之联成一体的予紧螺杆2032构成，螺杆2032与波纹管201下端部螺孔配合联接，将套于予紧螺杆上并通过绝缘套2021与其绝缘的压电陶瓷202压紧。定子的下匹配块下端部内和波纹管上端部内部安装一对轴承231，232，使中心轴22被较好的定心；中心轴通过压力机构24与转子紧配合，转子可驱动中心轴产生力矩输出。波纹管的上端面切有一组槽2011，构成马达定子的波动输出面，槽2011的作用是放大弯曲波动振幅和增加定子，转子之间的摩擦效果，提高力矩输出。依靠波动和摩擦来驱动转子时，在输出面会因摩擦损耗出现一些细小颗粒，槽2011的另一个作用是充许这些颗粒落入槽中，从而改善马达运转的平稳性。本实施例的压力机构24如图3所示。马达压力机构由中心轴22上端部连接的法兰盘241，通过销钉245与法兰盘214联接的弹簧片242，转子上端面粘有的环形橡胶片243以及插入轴22下端部一环形槽221的卡环244构成。马达中心轴通过上述压力机构保持转子与定子之间的压力恒定，当转子旋转时，通过粘在转子上的橡胶片和紧压其上的弹性蝶片之间的摩擦力带动轴一起旋转，定子上的上下轴承对中心轴起定轴心的作用，允许马达中心轴在带负载输出时承受横向载荷，而不影响转子、定子之间的压力，使转子输出更平稳有力，带负载能力更强。采用轴输出，可省去齿能输出的诸多不便。本实施例激励弯曲振动的一组压电陶瓷元件和激励方式如图4所示。一对正交电压信号Simwt，coswt输入到二组压电陶瓷环片2021，2022中，其工作频率为马达定子的谐振频率。本实施例的压电陶瓷是采用一种软性、高压电常数(d33＞580×10-12C/N)，低机械品质质数(Qm～100)的材料，具有宽频带，无需电路上的频率跟踪，无需用于信号反馈的压电陶瓷元件，使马达驱动电源更简化。本实施例的压电超声微马达，显示出低速、大力矩、和优异的高分辨率(～0.010°)特性，其主要参数及性能指标如下外形尺寸为圆柱型，直径15mm，长30mm；工作频率35KHz；空载转速71.4转/分；最大力矩550gf.cm；最小角分辨率0.010°。权利要求1.一种基于自由弯曲振动模式的圆柱状压电超声微马达结构，包括中心轴及套于轴上的定子和转子，所说的定子由上、下匹配块及紧压于上、下匹配块之中的压电陶瓷环片构成，所说的上匹配块为波纹管，所说的转子紧压于所说的上匹配块的上端部，其特征在于所说的定子的上、下两端内壁置有一对轴承，所说的中心轴置于两轴承之中，所说的转子与所说的中心轴通过压力机构紧配合。2.如权利要求1所述的马达结构，其特征在于，所说的波纹管与转子接触的端面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自由弯曲振动模式的圆柱状压电超声微马达结构，包括中心轴及套于轴上的定子和转子，所说的定子由上、下匹配块及紧压于上、下匹配块之中的压电陶瓷环片构成，所说的上匹配块为波纹管，所说的转子紧压于所说的上匹配块的上端部，其特征在于所说的定子的上、下两端内壁置有一对轴承，所说的中心轴置于两轴承之中，所说的转子与所说的中心轴通过压力机构紧配合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董蜀湘，王树昕，邱海波，李龙土，桂治轮，
申请(专利权)人：清华大学，华阳实业集团公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]