專利名稱：短柱搖頭型超聲波電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種搖頭型超聲波電機(jī)，尤其是一種短柱搖頭型超聲波電機(jī)，屬于 超聲波電機(jī)制造的技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景超聲波電機(jī)是一種具有全新驅(qū)動(dòng)原理的電機(jī)，與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲波 電機(jī)不再使用線圈，采用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)和定轉(zhuǎn)子間摩擦耦合來(lái)完成電機(jī)從 電能到轉(zhuǎn)矩輸出能量的轉(zhuǎn)換。因此超聲波電機(jī)相對(duì)電磁電機(jī)具有響應(yīng)快、低速大 轉(zhuǎn)矩、無(wú)輸入自鎖、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。柱體搖頭型超聲波電機(jī)的研究起步較 晚，它采用蘭杰文振子結(jié)構(gòu)，電機(jī)定子利用金屬匹配塊鎖緊壓電陶瓷，電機(jī)裝配 不需要黏結(jié)，裝配工藝簡(jiǎn)單，成本較低，便于自動(dòng)化生產(chǎn)。因此柱體搖頭型超聲 波電機(jī)在精密光學(xué)儀器、高精度跟蹤伺服控制裝置、照相機(jī)調(diào)焦等方面有廣泛的 應(yīng)用。柱體搖頭型超聲波電機(jī)定子由于采用蘭杰文振子結(jié)構(gòu)，為了提高電機(jī)能量轉(zhuǎn) 換效率， 一般定子長(zhǎng)度和直徑間比例需要大于2倍，利用定子的兩個(gè)正交的彎曲 振動(dòng)合成產(chǎn)生定子的搖頭運(yùn)動(dòng)。因此柱體搖頭型超聲波電機(jī)整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較長(zhǎng)， 給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)一些問(wèn)題。目前的柱體搖頭型超聲波電機(jī)，由于定子的固定會(huì)大 大影響其共振模態(tài)，因此電機(jī)固定一直存在問(wèn)題，這使得電機(jī)很難在高精度伺服 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。本發(fā)明提出的一種短柱搖頭型超聲波電機(jī)，定子長(zhǎng)度和直徑比 接近l: 1，大大縮短了電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)施例中電機(jī)定子直徑15mm，整體電 機(jī)高度為18.5mm，并且本發(fā)明提出了一種有彈性支撐作用的固定底座結(jié)構(gòu)，使 電機(jī)在固定到待安裝位置時(shí)，不影響電機(jī)定子的振幅，從而對(duì)電機(jī)正常工作的影 響降至很小。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的在于提供一種短柱搖頭型超聲波電機(jī)，使電機(jī)性能 不變的情況下，大大縮短電機(jī)的長(zhǎng)度;并且設(shè)計(jì)了具有彈性支撐作用的固定底座， 在不影響電機(jī)工作的情況下，能夠很好的固定電機(jī)，使電機(jī)能夠在高精度伺服驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。技術(shù)方案本發(fā)明的短柱搖頭型超聲波電機(jī)，該電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子、固定 底座、軸，該電機(jī)的定子由定子上匹配塊、定子下匹配塊、軸承、上壓電陶瓷、 下壓電陶瓷、電極片組成，在軸外周的中段設(shè)有軸承，在軸承外周設(shè)有定子下匹 配塊，定子下匹配塊通過(guò)軸承與軸連接，在定子下匹配塊外周設(shè)有下壓電陶瓷， 下壓電陶瓷的上端設(shè)置上壓電陶瓷，在上壓電陶瓷上端設(shè)有定子上匹配塊，上壓 電陶瓷的上端與下壓電陶瓷的下端緊密配合在定子上匹配塊與定子下匹配塊之 間，定子上匹配塊與定子下匹配塊螺紋配合，在定子上匹配塊上端設(shè)有轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn) 子和軸通過(guò)固定螺絲相接，定子下匹配塊的下端設(shè)置固定螺母，固定螺母與定子 下匹配塊之間設(shè)有墊片，上壓電陶瓷、下壓電陶瓷之間設(shè)有四片電極片，轉(zhuǎn)子通 過(guò)彈性構(gòu)件與定子上匹配塊連接；定子下匹配塊下端通過(guò)薄板連接在固定底座上。上述短柱搖頭型超聲波電機(jī)的連接件是對(duì)彈性轉(zhuǎn)子的下部圓盤體開上外環(huán) 槽、內(nèi)槽、下外環(huán)槽，從上外環(huán)槽底部到連接件的下端為彈性轉(zhuǎn)子高度的36%， 下外環(huán)槽高度為彈性轉(zhuǎn)子高度的15%，連接件的下端寬度為彈性轉(zhuǎn)子直徑的3 %到6%之間，電極片包括第一電極片、第二電極片、第三電極片、第四電極片， 各電極片均等分布在上壓電陶瓷、下壓電陶瓷之間，第一電極片和第三電極片為 一對(duì)電極，第二電極片和第四電極片為一對(duì)電極，每對(duì)電極片所對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷 區(qū)域相互反相極化，彈性轉(zhuǎn)子和軸通過(guò)固定螺絲相接，薄板是由聚合物構(gòu)成，薄 板與定子下匹配塊用膠黏結(jié)一起。有益效果本發(fā)明在于提供一種短柱搖頭型超聲波電機(jī)，相對(duì)于一般柱體搖 頭型超聲波電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)尺寸短小，定子直徑15mm，這個(gè)電機(jī)長(zhǎng)度為18.5mm。 這種短柱搖頭型超聲波電機(jī)采用了彈性固定底座，可以方便的將電機(jī)固定在待安 裝位置上，并且不影響電機(jī)的運(yùn)行使電機(jī)能夠在高精度伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。制 作的直徑為15mm的短柱搖頭型超聲波電機(jī)，運(yùn)行頻率范圍較寬，從
39kHz 43kHz都能穩(wěn)定運(yùn)行，最高轉(zhuǎn)速超過(guò)200r/min,最低轉(zhuǎn)速接近8r/min，電 機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩180gcm。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)圖。其中有固定螺絲l、彈性轉(zhuǎn)子2、定子上匹配塊3、軸承4、上壓電陶瓷5、下壓電陶瓷6、固定底座7、定子下匹配塊8、 電極片9、墊片IO、固定螺母ll、軸12、薄板13、連接件14。圖2是本發(fā)明的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)的示意圖。其中的"+"為正相極化，"-"為 反相極化。其中有第一電極片91、第二電極片92、第三電極片93、第四電極 片94。圖3是本發(fā)明連接件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明彈性轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有上外環(huán)槽21、內(nèi)槽22、下 外環(huán)槽23。
具體實(shí)施方式
下面是本發(fā)明的具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步描述 實(shí)施例一本發(fā)明的短柱搖頭型超聲波電機(jī)由固定螺絲、轉(zhuǎn)子、定子上匹配塊和定子 下匹配塊、軸承、壓電陶瓷、固定底座、以及固定螺母和墊片所構(gòu)成。定子上 匹配塊和定子下匹配塊為螺紋配合機(jī)構(gòu)，它們夾持壓電陶瓷并鎖緊構(gòu)成定子，定 子整體長(zhǎng)度短小，接近1: 1，定子上匹配塊開槽以放大定子的振動(dòng)；轉(zhuǎn)子和軸 通過(guò)固定螺絲裝配到一起，固定螺母和墊片使轉(zhuǎn)子以一定的預(yù)壓力壓在定子上。 電機(jī)的轉(zhuǎn)子為彈性轉(zhuǎn)子2，彈性轉(zhuǎn)子2下部為連接件14,在施加預(yù)壓力后，轉(zhuǎn)子 產(chǎn)生彈性變形。彈性轉(zhuǎn)子直徑為15mm,這個(gè)電機(jī)長(zhǎng)度為18.5mm。在 39kHz 43kHz都能穩(wěn)定運(yùn)行，連接件14的下端壁厚為0.45 rara時(shí)，電機(jī)最高轉(zhuǎn) 速為180rpm，電機(jī)定子表面磨損明顯增加，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為50g cm左右，電機(jī)運(yùn) 行噪音較大。圖2是本發(fā)明的短柱搖頭型超聲波電機(jī)的定子包括2片壓電陶瓷和4個(gè)電極 片，2片壓電陶瓷相同，在2片壓電陶瓷之間平均分布4個(gè)電極，即為4個(gè)極化
區(qū)。2片壓電陶瓷對(duì)稱疊合在一起，激勵(lì)電壓通過(guò)每對(duì)電極間電極片施加到壓電 陶瓷上。電機(jī)定子安裝在固定底座上，固定底座為菱形，并設(shè)置有彈性支撐聚合 物薄板，兩端有2個(gè)固定安裝孔，可以將整個(gè)電機(jī)固定在待安裝位置上。實(shí)施例二本發(fā)明的短柱搖頭型超—波電機(jī)由固定螺絲、轉(zhuǎn)子、定子上匹配塊和定子 下匹配塊、軸承、壓電陶瓷、固定底座、以及固定螺母和墊片所構(gòu)成。定子上 匹配塊和定子下匹配塊為螺紋配合機(jī)構(gòu)，它們夾持壓電陶瓷并鎖緊構(gòu)成定子，定 子整體長(zhǎng)度短小，接近1: 1，定子上匹配塊開槽以放大定子的振動(dòng)；轉(zhuǎn)子和軸 通過(guò)固定螺絲裝配到一起，固定螺母和墊片使轉(zhuǎn)子以一定的預(yù)壓力壓在定子上。 電機(jī)的轉(zhuǎn)子為彈性轉(zhuǎn)子2，彈性轉(zhuǎn)子2下部為連接件14，在施加預(yù)壓力后，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生彈性變形。彈性轉(zhuǎn)子直徑為15mm，這個(gè)電機(jī)長(zhǎng)度為18.5mm。在 39kHz 43kHz都能穩(wěn)定運(yùn)行，連接件14的下端壁厚為0. 75咖時(shí)，電機(jī)最高轉(zhuǎn) 速為200rpm，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為180g cm左右，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)噪音。圖2是本發(fā)明的短柱搖頭型超聲波電機(jī)的定子包括2片壓電陶瓷和4個(gè)電極 片，2片壓電陶瓷相同，在2片壓電陶瓷之間平均分布4個(gè)電極，即為4個(gè)極化 區(qū)。2片壓電陶瓷對(duì)稱疊合在一起，激勵(lì)電壓通過(guò)每對(duì)電極間電極片施加到壓電 陶瓷上。電機(jī)定子安裝在固定底座上，固定底座為菱形，并設(shè)置有彈性支撐聚合 物薄板，兩端有2個(gè)固定安裝孔，可以將整個(gè)電機(jī)固定在待安裝位置上。實(shí)施例三本發(fā)明的短柱搖頭型超聲波電機(jī)由固定螺絲、轉(zhuǎn)子、定子上匹配塊和定子 下匹配塊、軸承、壓電陶瓷、固定底座、以及固定螺母和墊片所構(gòu)成。定子上 匹配塊和定子下匹配塊為螺紋配合機(jī)構(gòu)，它們夾持壓電陶瓷并鎖緊構(gòu)成定子，定 子整體長(zhǎng)度短小，接近1: 1，定子上匹配塊開槽以放大定子的振動(dòng)；轉(zhuǎn)子和軸通過(guò)固定螺絲裝配到一起，固定螺母和墊片使轉(zhuǎn)子以一定的預(yù)壓力壓在定子上。電機(jī)的轉(zhuǎn)子為彈性轉(zhuǎn)子2，和定子的接觸部分部為連接件14,在施加預(yù)壓力后， 轉(zhuǎn)子產(chǎn)生彈性變形。彈性轉(zhuǎn)子直徑為15mm，這個(gè)電機(jī)長(zhǎng)度為18.5mm。在 39kHz 43kHz都能穩(wěn)定運(yùn)行，連接件14的下端壁厚為0. 9 mm時(shí)，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速
為100rpm，電機(jī)定子表面磨損明顯增加，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為80g cm左右，電機(jī)運(yùn)行 噪音變大。圖2是本發(fā)明的短柱搖頭型超聲波電機(jī)的定子包括2片壓電陶瓷和4個(gè)電極 片，2片壓電陶瓷相同，在2片壓電陶瓷之間平均分布4個(gè)電極，即為4個(gè)極化 區(qū)。2片壓電陶瓷對(duì)稱疊合在一起，激勵(lì)電壓通過(guò)每對(duì)電極間電極片施加到壓電 陶瓷上。電機(jī)定子安裝在固定底座上，固定底座為菱形，并設(shè)置有彈性支撐聚合 物薄板，兩端有2個(gè)固定安裝孔，可以將整個(gè)電機(jī)固定在待安裝位置上。
權(quán)利要求
1、一種短柱搖頭型超聲波電機(jī)，該電機(jī)包括定子、彈性轉(zhuǎn)子(2)、固定底座(7)、墊片(10)、軸(12)，其特征在于該電機(jī)的定子由定子上匹配塊(3)、定子下匹配塊(8)、軸承(4)、上壓電陶瓷(5)、下壓電陶瓷(6)、電極片(9)組成，在軸(12)外周的中段設(shè)有軸承(4)，在軸承(4)外周設(shè)有定子上匹配塊(3)、定子下匹配塊(8)，定子下匹配塊(8)與軸承(4)相接，定子上匹配塊(3)的下部與定子下匹配塊(8)的上部螺紋配合，上壓電陶瓷(5)的上端與下壓電陶瓷(6)的下端緊密配合在定子上匹配塊(3)與定子下匹配塊(8)之間，上壓電陶瓷(5)、下壓電陶瓷(6)之間設(shè)有4個(gè)電極片(9)，在定子上匹配塊(3)上端設(shè)有彈性轉(zhuǎn)子(2)，彈性轉(zhuǎn)子(2)的下部設(shè)有連接件(14)，連接件(14)的下端與定子上匹配塊(3)的上端接觸，彈性轉(zhuǎn)子(2)和軸(12)相接，定子下匹配塊(8)的下端設(shè)置固定螺母(11)，固定螺母(11)與定子下匹配塊(8)之間設(shè)有墊片(10)，定子下匹配塊(8)外周凸出部的下端通過(guò)薄板(13)連接在固定底座(7)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的短柱搖頭型超聲波電機(jī)，其特征在于所述的連接 件(14)是對(duì)彈性轉(zhuǎn)子(2)的下部圓盤體開上外環(huán)槽(21)、內(nèi)槽(22)、下外 環(huán)槽(23)，從上外環(huán)槽(21)底部到連接件(14)的下端高度為彈性轉(zhuǎn)子(2) 高度的36%,下外環(huán)槽(23)高度為彈性轉(zhuǎn)子(2)高度的15%，連接件(14) 的下端壁厚為彈性轉(zhuǎn)子(2)直徑的3%到6%之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的短柱搖頭型超聲波電機(jī)，其特征在于所述的電極 片(9)包括第」電極片(91)、第二電極片(92)、第三電極片(93)、第四電極 片(94)，各電極片均等分布在上壓電陶瓷(5)、下壓電陶瓷(6)之間，第一電 極片(91)和第三電極片(93)為一對(duì)電極，第二電極片(92)和第四電極片(94) 為一對(duì)電極，每對(duì)電極片所對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷區(qū)域相互反相極化。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的短柱搖頭型超聲波電機(jī)，其特征在于所述的彈性 轉(zhuǎn)子(2)和軸(12)通過(guò)固定螺絲(11)相接，薄板(13)是由聚合物尼龍構(gòu) 成，薄板(13)與定子下匹配塊(8)用環(huán)氧膠黏結(jié)一起。
全文摘要
本發(fā)明是一種短柱搖頭型超聲波電機(jī)屬于超聲波電機(jī)制造的技術(shù)領(lǐng)域，由定子、轉(zhuǎn)子以及安裝固定底座組合而成，定子上匹配塊和定子下匹配塊為螺紋配合機(jī)構(gòu)，它們夾持壓電陶瓷并鎖緊構(gòu)成定子；轉(zhuǎn)子和軸通過(guò)固定螺絲裝配到一起，固定螺母和墊片使轉(zhuǎn)子以一定的預(yù)壓力壓在定子上。定子整體長(zhǎng)度短小，轉(zhuǎn)子采用彈性支撐結(jié)構(gòu)，以提高電機(jī)運(yùn)行性能，電機(jī)定子安裝在固定底座上，固定底座為菱形，并設(shè)置有彈性支撐的薄板，兩端有2個(gè)固定安裝孔，可以將整個(gè)電機(jī)固定在待安裝位置上。
文檔編號(hào)H02N2/12GK101119078SQ200710130949
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者焱 張, 徐志科, 秦申蓓, 胡敏強(qiáng), 龍 金, 顧菊平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)