專利名稱：大力矩搖頭式壓電超聲波電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)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(jié)構(gòu)且其下端兩側(cè)銑成餅狀結(jié)構(gòu)；所述定子和轉(zhuǎn)子的接合部呈純平面接觸；在所述中心軸靠近壓力機構(gòu)的法蘭盤上有一用于對中心軸的位置進行手動調(diào)整的螺釘；位于上匹配塊內(nèi)壁的軸承與中心軸是間隙配合，位于下匹配塊內(nèi)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(lián)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(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器給電機脈沖個數(shù)以實現(xiàn)步進運動的脈沖調(diào)制信號。在所述下匹配塊下端定子振動節(jié)點處固定著一個四角設(shè)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(shù))，高于450×10-12C/N、機械品質(zhì)因數(shù)Qm低于100的壓電陶瓷環(huán)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(tài)，只依靠上述處于定子內(nèi)壁的一對軸承定位。
使用證明它達到了預(yù)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(jié)構(gòu)示意圖。
圖2.本發(fā)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(fā)明所述壓力機構(gòu)示意圖。
圖5.本發(fā)明所述壓電陶瓷環(huán)片的加電示意圖。
圖6.本發(fā)明所述的壓電超聲波電機的電路原理框圖。
圖7.本發(fā)明所述的壓電超聲波電機的電路原理圖。
圖8.本發(fā)明提出的第2個實施例的縱剖視圖。
圖3是本發(fā)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(jié)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(fā)明所述壓電超聲波電機的壓力機構(gòu)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(yù)緊力調(diào)整金屬墊片232、碟形彈簧233、轉(zhuǎn)子20上表面的環(huán)形防滑橡膠墊片234以及插入輸出軸一側(cè)卡槽222中的標(biāo)準(zhǔn)軸用卡環(huán)235組成。它使定子21、轉(zhuǎn)子20之間保持恒定的預(yù)緊力。當(dāng)轉(zhuǎn)子20旋轉(zhuǎn)時力矩通過預(yù)緊墊片232、橡膠墊片234、碟形彈簧233傳遞給中心軸22。在轉(zhuǎn)子20上有一凹槽201，其作用是使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(huán)片2121和2122中，它們分別采取并聯(lián)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(huán)片212使用d33高于450×10-12C/N、機械品質(zhì)因數(shù)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(shè)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(fā)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(diào)制信號和正反轉(zhuǎn)、起?？刂齐娐?；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(fā)生器，L297和L298構(gòu)成分頻移相電路?？勺冸娮鑂19對脈沖調(diào)制信號的占空比進行連續(xù)調(diào)整，以改變壓電超聲波電機的步進角；切換開關(guān)K控制壓電超聲波電機的起停；可變電阻R18用于調(diào)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(xù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子直徑16mm，電機總長42mm；軸輸出端長10mm，直徑3mm；根據(jù)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(xù)運動最高轉(zhuǎn)速大于300r/min，步進運動最低轉(zhuǎn)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(xiàn)在0～360區(qū)間以任意步進角完成圓周進給運動，既可連續(xù)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(zhuǎn)子31、中心軸32及壓力機構(gòu)34組成。定子30由具有超聲變幅桿式的階梯狀結(jié)構(gòu)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(nèi)螺紋和下匹配塊303的螺桿結(jié)構(gòu)夾持在中間的四片壓電陶瓷環(huán)片302組成，壓電陶瓷環(huán)片間用環(huán)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(cè)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(zhuǎn)子31上也有一個凹槽311，它使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子31的傳遞效果。
本發(fā)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(fā)明有以下特點1.轉(zhuǎn)子與定子純平面接觸，增加了定、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)；而且上匹配塊下端兩側(cè)銑成餅形，以便于施加預(yù)緊力；
3.靠近轉(zhuǎn)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(cè)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(zhuǎn)子的一端有一個可在使用時手動調(diào)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(zhì)因素Qm低于100的壓電陶瓷環(huán)片，加寬了工作頻帶，簡化了電路設(shè)計，降低了頻率跟蹤難度；6.下匹配塊處有四角帶固定螺釘?shù)姆叫畏ㄌm盤式基座，位置在定子振動節(jié)點處；也可在下匹配塊底端面設(shè)置定位用螺孔，以便于使用；7.既可連續(xù)轉(zhuǎn)動，也可高精度步進運動。
權(quán)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(zhuǎn)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(nèi)螺紋和下匹配塊的螺桿結(jié)構(gòu)緊緊夾在中間且彼此間用薄銅片實現(xiàn)電連接的壓電陶瓷環(huán)片組成；位于上匹配塊、下匹配塊內(nèi)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(zhuǎn)子上表面的環(huán)形防滑橡膠墊片構(gòu)成的壓力機構(gòu)，所述的兩組壓電陶瓷環(huán)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(jié)構(gòu)且其下端兩側(cè)銑成餅狀結(jié)構(gòu)；所述定子和轉(zhuǎn)子的接合部呈純平面接觸；在所述中心軸靠近壓力機構(gòu)的法蘭盤上有一用于對中心軸的位置進行手動調(diào)整的螺釘；位于上匹配塊內(nèi)壁的軸承與中心軸是間隙配合，位于下匹配塊內(nèi)壁的軸承與中心軸是滑動配合。
2.根據(jù)權(quán)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(lián)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(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器給電機脈沖個數(shù)以實現(xiàn)步進運動的脈沖調(diào)制信號。
3.根據(jù)權(quán)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(jié)點處固定著一個四角設(shè)有固定用螺釘孔的方形法蘭盤式基座。
4.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(shù))高于450×10-12C/N、機械品質(zhì)因數(shù)Qm低于100的壓電陶瓷環(huán)片。
6.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(tài)，只依靠上述處于定子內(nèi)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(shù)領(lǐng)域,其特征在于,定子的上匹配塊采用超聲變幅桿式階梯結(jié)構(gòu),以簡化結(jié)構(gòu),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(cè)銑成餅狀以便于施加預(yù)緊力;轉(zhuǎn)子和定子的接合部采用純平面接觸以增加定、轉(zhuǎn)子間的承載能力,也簡化了工藝;中心軸靠近轉(zhuǎn)子一端有可在使用時對中心軸位置進行手動調(diào)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(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者褚祥誠, 李龍土, 桂治輪 申請人:清華大學(xué)