專利名稱：基于自由彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達的制作方法
技術領域：
本發明屬于精密儀器的驅動元件技術領域，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的結構設計。
壓電超聲微馬達作為精密儀器的驅動元件有廣泛的應用。日本于1993年12月24日公布了一項題為“超聲波馬達”的專利(專利號JP344759)，該項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，其結構如
圖1所示，該馬達定子10固定在一固定物體18上，馬達定子由下匹配塊101，上匹配塊102，上下匹塊之間緊壓的壓電陶瓷103組成。其中，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。帶有齒輪盤的馬達轉子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。
當給這種馬達壓電陶瓷輸入電信號后，在固定界面一端處馬達定子形式波動節面，與馬達轉子接觸的一端為自由端面，產生行波波動，馬達轉子11繞固定軸12旋轉，靠轉子上的齒輪110產生力矩輸出。
美國專利公布的用于照相機鏡頭驅動的振動波馬達(USP5231325)，和上述日本公布的超聲波馬達有類似的結構，也是依靠多個壓電圓片26、27、28、29分別在x、y方向激勵彎曲振動，再用一個壓電圓片25檢測定子的彎曲振動，也依靠轉子23上的齒輪23a產生力矩輸出，如圖2所示。
上述兩種馬達有以下不足。對于第一種，馬達不是獨立驅動元件，馬達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面，在定子的自由端產生波動輸出。其二，上述兩種馬達均依靠轉子齒輪輸出，當轉子承受較大負載時，將使轉子受到一垂直軸向的橫向力，這個力會改變轉子、定子間的均勻壓力分布，導致依靠摩擦力輸出力矩的轉子的轉速不穩，輸出力矩下降；其三，轉子依靠齒輪輸出，被驅動件也必須是齒輪轉動，使整個傳動結構復雜，造價高；其四，由于受馬達定子尺寸限制，馬達轉子上的齒輪外徑不能小于定子尺寸，當驅動件尺寸很小，結果造成大齒輪轉動小齒輪，使轉速反而變快，為此不得不采取多個齒輪傳動的方法，使速度減下來，這不便于用在一些空間受限制，要求低速精密驅動的場合。其五，這種馬達需要多至5片壓電元件用于激發彎曲振動和檢測振動，壓電激勵元件成本高，組裝工藝難度也較大。
本發明的目的在于為克服已有技術的不足之處，提出一種基于自由彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達，采用雙轉子共軸力矩輸出結構，充分利用馬達定子上、下端的波動能量，使馬達力矩輸出加倍，承受負載能力更強。且進一步采用壓電陶瓷圓管，以取代現有壓電馬達的多個壓電激勵元件和檢測元件，使其結構簡單，組裝容易，并可獲得同樣的激勵效果和檢測效果。
本發明提出一種基于自由彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達，由中心軸及套于軸上的壓電定子及轉子所組成；所說的壓電定子包括上、下匹配塊及緊壓于上、下匹配塊之間的壓電激勵元件構成，其特征在于，所說的轉子由緊壓在定子的兩個端面為雙轉子共軸力矩輸出結構的上、下轉子所組成。
本發明所說的定子的上、下兩端內壁，還可有一對軸承，所說的中心軸置于兩軸承之中，所說的上下轉子與所說的中心軸通過壓力機構緊配合。中心軸通過中心軸與轉子之間的傳動銷釘和壓力機構，來獲得二轉子的力矩輸出。
所說的壓電定子的上、下匹配塊可為對稱的波紋管狀結構。也可為對稱的啞玲狀結構。
所說的壓力機構可由中心軸下端部連接的法蘭盤，橡膠片，中心軸上端部處的彈簧片與橡膠片，及插入中心軸上端部環形槽內的軸檔卡環構成。
所說的壓電定子中的激勵元件可由一個壓電陶瓷圓管和帶有中心通孔的預緊螺桿構成，該預緊螺桿與所說的上、下匹配塊螺合。
所說的壓電陶瓷圓管可是一個沿壁厚度方向極化的壓電陶瓷圓管，其外側面主電極被劃分成2對4個部分，分別用于激發x、y方向的彎曲振動，用于檢測壓電定子的振動；圓管一端部處設有一對附屬的窄電極，用于檢測壓電定子的振動。
所說的中心軸靠近下轉子端部可設有一法蘭盤，靠近上轉子端部開有一環形槽，所說的一軸檔卡環嵌在其中，保持壓力機構對上、下轉子施加恒定的壓力。
本發明所說的壓電陶瓷圓管，可采用高壓電常數d31、低損耗的壓電陶瓷材料，可使馬達定子獲得更大的振幅，和提高馬達的力矩輸出。
本發明采用雙轉子共軸輸出結構，充分利用馬達定子上、下端的波動能量，使馬達力矩輸出加倍，承受負載能力更強，使轉子輸出更平穩有力，采用軸輸出還可省去齒輪輸出的諸多不便。且進一步采用壓電陶瓷圓管，并通過劃分電極的方法，作為馬達定子的激勵元件和振動信號檢測和反饋元件，以取代現有壓電馬達的多個壓電激勵元件和檢測元件，使其結構簡單，組裝容易，并獲得同樣的激勵效果和檢測效果。
附圖簡要說明圖1為已有技術的微馬達結構示意圖。
圖2為另一個已有技術的微馬達結構示意圖。
圖3為本發明實施例之一總體結構示意圖。
圖4為實施例一的壓電陶瓷圓管及激勵方式示意圖。
圖5為本發明實施例之二總體結構示意圖。
本發明設計出基于彎曲振動模式的壓電超聲微馬達二個實施例，其結構如圖3和圖4所示，結合附圖詳細說明如下本實施例之一的總體結構如圖3所示，該馬達由壓電定子31，上下轉子321、322，中心軸323及彈性壓力元件橡膠片331、332及蝶彈333等組成。其中定子31由激勵彎曲振動的機電轉換元件壓電陶瓷圓管314，對稱置放在該壓電圓管314兩端，并通過帶有中心通孔的預緊螺桿313預緊的上下波紋管311、312等組成。波紋管所起的作用是放大彎曲振動的振幅。
在定子的二端中心孔內，安裝一對軸承351、352，使中心軸323被較好地定心，中心軸323通過彈性壓力元件331、332、333及中心軸上的法蘭盤342與卡環341等將轉子321、322緊壓在馬達壓電定子31兩端，并保持一個恒定的壓力。這兩個轉子可同時接收壓電定子在二端面處產生的同方向行波波動輸出，并通過共軸輸出結構，獲得加倍的力矩輸出。二轉子與中心軸之間設有傳動銷釘(未顯示出)，可用來驅動中心軸產生力矩輸出，稱為雙轉子共軸輸出。定子中的兩個軸承不僅對中心軸起定心作用，還可允許馬達中心軸在常負載輸出時，可承受更大的橫向負載而不影響轉子、定子之間的壓力，使轉子輸出更平穩有力。采用軸輸出還可省去齒輪輸出的諸多不便。
上述實施例激勵彎曲振動的壓電陶瓷圓管314及激勵方式如圖4所示。一對正交電壓信號sinωt和cosωt分別輸入到壓電圓管二對主電極314a,314a’和314b,314b’(314a’,314b’未顯示出)。圓管端部處的窄電極314c與314c’(未顯示出)用于檢測和獲取壓電定子的彎曲振動信號。
圖5是本發明的另一實施例。與圖3所示的實施例不同之處，是馬達定子的上、下對稱匹配塊317、318為啞玲狀結構，這種結構也具有放大彎曲振動波幅的功能。其它代號與圖3中所示意義相同。定子的壓電激勵元件仍如圖4所示。與已報導的同樣基于彎曲振動模式的壓電微馬達(如圖1、圖2所揭示的日本與美國專利)相比，本發明壓電超聲微馬達具有更大的力矩輸出體積比；用于激勵彎曲振動的壓電元件，也從多至5片減少到一個，因此本發明的壓電馬達，其生產組裝工藝和造價成本均可得到降低。
權利要求
1.一種基于自由彎曲振動模式的圓柱狀壓電超聲微馬達，由中心軸及套于軸上的壓電定子及轉子所組成；所說的壓電定子包括上、下匹配塊及緊壓于上、下匹配塊之間的壓電激勵元件構成，其特征在于，所說的轉子由緊壓在定子的兩個端面的為雙轉子共軸力矩輸出結構的上、下轉子所組成。
2.如權利要求1所說的壓電超聲微馬達，其特征在于所說的定子的上、下兩端內壁，還有一對軸承，所說的中心軸置于兩軸承之中，所說的上下轉子與所說的中心軸通過傳動銷釘和壓力機構緊配合。
3.如權利要求1所述的壓電超聲微馬達，其特征在于，所說的壓電定子的上、下匹配塊為對稱的波紋管狀結構。
4.如權利要求1所述的壓電超聲微馬達，所說的壓電定子的上、下匹配塊為對稱的啞玲狀結構。
5.如權利要求1所述的壓電超聲微馬達結構，其特征在于，所說的壓力機構由中心軸下端部連接的法蘭盤，橡膠片，中心軸上端部處的彈簧片與橡膠片，及插入中心軸上端部環形槽內的軸檔卡環構成。
6.如權利要求1所述的壓電超聲微馬達結構，其特征在于，所說的壓電定子中的激勵元件由一個壓電陶瓷圓管和帶有中心通孔的預緊螺桿構成，該預緊螺桿與所說的上、下匹配塊螺合。
7.如權利要求6所述的壓電超聲微馬達結構，其特征在于，所說的壓電陶瓷圓管是一個沿壁厚度方向極化的壓電陶瓷圓管，其外鍘面主電極被劃分成2對4個部分，圓管一端部處設有一對窄電極。
8.如權利要求1所述的壓電超聲微馬達結構，其特征在于所說的中心軸靠近下轉子端部設有一法蘭盤，靠近上轉子端部開有一環形槽，所說的一軸檔卡環嵌在其中。
9.如權利要求1所述的壓電超聲微馬達結構，其特征在于所說的壓電陶瓷圓管采用高壓電常數d31及低損耗的壓電陶瓷材料制成。
全文摘要
本發明屬于精密儀器的驅動元件技術領域,由中心軸及套于軸上的壓電定子及緊壓在定子的兩個端面的上、下轉子所組成;壓電定子包括上、下匹配塊及緊壓于上、下匹配塊之間的壓電陶瓷圓管構成,本發明采用雙轉子共軸力矩輸出結構,使馬達力矩輸出加倍,承受負載能力更強。且用壓電陶瓷圓管取代現有壓電馬達的多個壓電激勵元件和檢測元件,使其結構簡單,組裝容易,并可獲得同樣的激勵效果和檢測效果。
文檔編號H02N2/10GK1209685SQ9811782
公開日1999年3月3日 申請日期1998年8月28日 優先權日1998年8月28日
發明者董蜀湘, 王樹昕, 沈文江, 李龍土, 桂治輪 申請人:清華大學