專利名稱：大力矩搖頭式壓電超聲波電機的制作方法
技術領域：
大力矩搖頭式壓電超聲波電機屬于壓電超聲波電機技術領域。
本發明的特征在于所述定子的上匹配塊具有超聲變幅桿式的階梯狀結構且其下端兩側銑成餅狀結構；所述定子和轉子的接合部呈純平面接觸；在所述中心軸靠近壓力機構的法蘭盤上有一用于對中心軸的位置進行手動調整的螺釘；位于上匹配塊內壁的軸承與中心軸是間隙配合，位于下匹配塊內壁的軸承與中心軸是滑動配合。所述的壓電陶瓷片共兩組各兩片，分別采取并聯方式，各自加一對交流電壓信號sinwt和coswt，或者一對用占空比的大小來調節超聲波發生器給電機脈沖個數以實現步進運動的脈沖調制信號。在所述下匹配塊下端定子振動節點處固定著一個四角設有固定用的螺釘孔的方形法蘭盤式基座。在所述下匹配塊底端面有幾個固定用的螺釘孔。所述的壓電陶瓷片是d33(壓電常數)，高于450×10-12C/N、機械品質因數Qm低于100的壓電陶瓷環片。所述定子的下匹配塊的螺桿處的中心孔與中心軸之間是間隙配合。所述定子的下匹配塊的螺桿處的中心孔與中心軸之間也可處于非接觸狀態，只依靠上述處于定子內壁的一對軸承定位。
使用證明它達到了預期目的。
圖1.ZL97111805.1提出的“基于彎曲振動模式的壓電超聲波微電動機”的結構示意圖。
圖2.本發明提出的大力矩搖頭式壓電超聲波電機的縱剖視圖。
圖3.方形法蘭盤式基座的附視圖。
圖4.本發明所述壓力機構示意圖。
圖5.本發明所述壓電陶瓷環片的加電示意圖。
圖6.本發明所述的壓電超聲波電機的電路原理框圖。
圖7.本發明所述的壓電超聲波電機的電路原理圖。
圖8.本發明提出的第2個實施例的縱剖視圖。
圖3是本發明所述壓電超聲波電機與外界的固定方式。方形法蘭盤式基座2134的位置在該電機振動的節點處，即振動位置為零的位置，該盤2134的厚度在2mm以下，選用1.0mm，以免由于固定而限制該電機的正常工作。在該盤2134上均勻分布四個光孔，用于穿螺釘進行固定。
圖4是本發明所述壓電超聲波電機的壓力機構23的示意圖。它由中心軸22上端的法蘭盤231、位于它下面薄的預緊力調整金屬墊片232、碟形彈簧233、轉子20上表面的環形防滑橡膠墊片234以及插入輸出軸一側卡槽222中的標準軸用卡環235組成。它使定子21、轉子20之間保持恒定的預緊力。當轉子20旋轉時力矩通過預緊墊片232、橡膠墊片234、碟形彈簧233傳遞給中心軸22。在轉子20上有一凹槽201，其作用是使轉子20與定子21之間的接觸具有微觀彈性變形的能力，增強力矩從定子21到轉子20上的傳遞效果。
在圖5中，一對交流電壓信號sinwt和coswt輸入到兩組壓電陶瓷環片2121和2122中，它們分別采取并聯方式，其激勵頻率是該壓電超聲波電機繞擺彎曲用諧振頻率。壓電陶瓷環片212使用d33高于450×10-12C/N、機械品質因數Qm低于100的壓電陶瓷片，以便使壓電超聲波電機有寬的工作頻帶，簡化了電路設計，降低了頻率跟蹤的難度。
圖6的電路由主電路、斬波控制電路和頻率自動跟蹤電路組成。主電路包括超聲波發生器、分頻移相電路、阻抗匹配電路和壓電超聲波電機。斬波控制電路包括脈沖調制信號和正反轉、起停控制電路；頻率自動跟蹤電路包括電流電壓反饋、鑒相器和頻率控制電路。圖7是圖6框圖的電路原理圖。芯片555作斬波控制電路用，4046是超聲波發生器，L297和L298構成分頻移相電路。可變電阻R19對脈沖調制信號的占空比進行連續調整，以改變壓電超聲波電機的步進角；切換開關K控制壓電超聲波電機的起停；可變電阻R18用于調整壓電超聲波電機的諧振頻率，改變其步進速度。
上述實施例1的壓電超聲波電機顯示了很好的連續轉動和步進特性外形為圓柱形，下端帶方形固定法蘭盤式基座，定子直徑15mm，轉子直徑16mm，電機總長42mm；軸輸出端長10mm，直徑3mm；根據上匹配塊211的材料不同，輸入電壓DC12V±15％，工作頻率從30～45KHz間變化，連續運動最高轉速大于300r/min，步進運動最低轉速小于0.5r/min，最大力矩大于1.5kgfcm，保持力矩大于4kgfcm，最小角分辨率小于0.05，步進壽命大于108步(大于1000小時)。操作溫度/存儲溫度分別是-20℃～60℃/-40℃～80℃，操作濕度小于90％RH，輸入功率密度大于130W/Kg，可實現在0～360區間以任意步進角完成圓周進給運動，既可連續運動，也可步進運動。
圖8采用的是在下匹配塊303下端處的螺釘孔3032進行固定。它主要由定子30、轉子31、中心軸32及壓力機構34組成。定子30由具有超聲變幅桿式的階梯狀結構3011的上匹配塊301、下端部有螺釘孔3032的下匹配塊303以及通過上匹配塊301的內螺紋和下匹配塊303的螺桿結構夾持在中間的四片壓電陶瓷環片302組成，壓電陶瓷環片間用環氧樹脂膠粘在一起。通過軸承331、332對中心軸32限位，在定子下匹配塊303側面有一個凸臺3031，其主要作用是對該壓電超聲波電機的外殼進行固定。轉子31上也有一個凹槽311，它使轉子31與定子30之間的接觸具有微觀彈性變形，增強力矩從定子30到轉子31的傳遞效果。
本發明適用于外徑尺寸為2mm～40mm的壓電超聲波電機。
由此可見，本發明有以下特點1.轉子與定子純平面接觸，增加了定、轉子間的承載能力，為大力矩輸出提供可能，也簡化了工藝；2.上匹配塊采用超聲變幅桿式外形，提高了輸出力矩和保持力矩，簡化了結構；而且上匹配塊下端兩側銑成餅形，以便于施加預緊力；
3.靠近轉子的軸承與中心軸是大間隙配合，對中心軸只起輔助支撐的作用；而靠近輸出軸一側的軸承與中心軸滑動配合起空間限位作用；4.中心軸靠近轉子的一端有一個可在使用時手動調整中心軸位置的螺釘，為使用時便于中心軸與外接件的位置對中；5.采用d33高于450×10-12C/N、機械品質因素Qm低于100的壓電陶瓷環片，加寬了工作頻帶，簡化了電路設計，降低了頻率跟蹤難度；6.下匹配塊處有四角帶固定螺釘的方形法蘭盤式基座，位置在定子振動節點處；也可在下匹配塊底端面設置定位用螺孔，以便于使用；7.既可連續轉動，也可高精度步進運動。
權利要求
1.大力矩搖頭式壓電超聲波電機，含有中心軸；套在中心軸上的轉子和定子，其中定子由上匹配塊，下匹配塊，通過上匹配塊的內螺紋和下匹配塊的螺桿結構緊緊夾在中間且彼此間用薄銅片實現電連接的壓電陶瓷環片組成；位于上匹配塊、下匹配塊內壁的一對用于中心軸定位的軸承以及由法蘭盤、碟形彈簧和轉子上表面的環形防滑橡膠墊片構成的壓力機構，所述的兩組壓電陶瓷環片沿厚度極化，且上下兩組陶瓷空間位置相差90度，其特征在于所述定子的上匹配塊具有超聲變幅桿式的階梯狀結構且其下端兩側銑成餅狀結構；所述定子和轉子的接合部呈純平面接觸；在所述中心軸靠近壓力機構的法蘭盤上有一用于對中心軸的位置進行手動調整的螺釘；位于上匹配塊內壁的軸承與中心軸是間隙配合，位于下匹配塊內壁的軸承與中心軸是滑動配合。
2.根據權利要求1所述的大力矩搖頭式壓電超聲波電機，其特征在于所述的壓電陶瓷片共兩組各兩片，分別采取并聯方式，各自加一對交流電壓信號sinwt和coswt，或者一對用占空比的大小來調節超聲波發生器給電機脈沖個數以實現步進運動的脈沖調制信號。
3.根據權利要求1所述的大力矩搖頭式壓電超聲波電機，其特征在于在所述下匹配塊下端定子振動節點處固定著一個四角設有固定用螺釘孔的方形法蘭盤式基座。
4.根據權利要求1所述的大力矩搖頭式壓電超聲波電機，其特征在于在所述下匹配塊底端面有固定用的螺釘孔。
5.根據權利要求1所述的大力矩搖頭式壓電超聲波電機，其特征在于所述的壓電陶瓷片是d33(壓電常數)高于450×10-12C/N、機械品質因數Qm低于100的壓電陶瓷環片。
6.根據權利要求1所述的大力矩搖頭式壓電超聲波電機，其特征在于所述定子的下匹配塊的螺桿處的中心孔與中心軸之間是間隙配合。
7.根據權利要求1所述的大力矩搖頭式壓電超聲波電機，其特征在于所述定子的下匹配塊的螺桿處的中心孔與中心軸之間處于非接觸狀態，只依靠上述處于定子內壁的一對軸承定位。
全文摘要
大力矩搖頭式壓電超聲波電機屬于壓電超聲波電機技術領域,其特征在于,定子的上匹配塊采用超聲變幅桿式階梯結構,以簡化結構,降低成本,提高輸出力矩和保持力矩,而且上匹配塊下端兩側銑成餅狀以便于施加預緊力;轉子和定子的接合部采用純平面接觸以增加定、轉子間的承載能力,也簡化了工藝;中心軸靠近轉子一端有可在使用時對中心軸位置進行手動調整的螺釘,便于和外接件對中。它的最大力矩大于1.5kgfcm,提高近3倍;步進壽命大于10
文檔編號H02N2/10GK1389974SQ0212528
公開日2003年1月8日 申請日期2002年7月31日 優先權日2002年7月31日
發明者褚祥誠, 李龍土, 桂治輪 申請人:清華大學