短柱搖頭型超聲波電機的製作方法

2023-06-01 07:22:16 1

專利名稱：短柱搖頭型超聲波電機的製作方法
技術領域：
本發明是一種搖頭型超聲波電機，尤其是一種短柱搖頭型超聲波電機，屬於 超聲波電機製造的技術領域。
技術背景超聲波電機是一種具有全新驅動原理的電機，與傳統電磁電機相比，超聲波 電機不再使用線圈，採用壓電陶瓷逆壓電效應和定轉子間摩擦耦合來完成電機從 電能到轉矩輸出能量的轉換。因此超聲波電機相對電磁電機具有響應快、低速大 轉矩、無輸入自鎖、不受電磁幹擾等優點。柱體搖頭型超聲波電機的研究起步較 晚，它採用蘭傑文振子結構，電機定子利用金屬匹配塊鎖緊壓電陶瓷，電機裝配 不需要黏結，裝配工藝簡單，成本較低，便於自動化生產。因此柱體搖頭型超聲 波電機在精密光學儀器、高精度跟蹤伺服控制裝置、照相機調焦等方面有廣泛的 應用。柱體搖頭型超聲波電機定子由於採用蘭傑文振子結構，為了提高電機能量轉 換效率， 一般定子長度和直徑間比例需要大於2倍，利用定子的兩個正交的彎曲 振動合成產生定子的搖頭運動。因此柱體搖頭型超聲波電機整體結構長度較長， 給實際應用帶來一些問題。目前的柱體搖頭型超聲波電機，由於定子的固定會大 大影響其共振模態，因此電機固定一直存在問題，這使得電機很難在高精度伺服 驅動系統中應用。本發明提出的一種短柱搖頭型超聲波電機，定子長度和直徑比 接近l: 1，大大縮短了電機的結構尺寸，實施例中電機定子直徑15mm，整體電 機高度為18.5mm，並且本發明提出了一種有彈性支撐作用的固定底座結構，使 電機在固定到待安裝位置時，不影響電機定子的振幅，從而對電機正常工作的影 響降至很小。發明內容技術問題本發明的目的在於提供一種短柱搖頭型超聲波電機，使電機性能 不變的情況下，大大縮短電機的長度;並且設計了具有彈性支撐作用的固定底座， 在不影響電機工作的情況下，能夠很好的固定電機，使電機能夠在高精度伺服驅 動系統中應用。技術方案本發明的短柱搖頭型超聲波電機，該電機包括定子、轉子、固定 底座、軸，該電機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，在軸外周的中段設有軸承，在軸承外周設有定子下匹 配塊，定子下匹配塊通過軸承與軸連接，在定子下匹配塊外周設有下壓電陶瓷， 下壓電陶瓷的上端設置上壓電陶瓷，在上壓電陶瓷上端設有定子上匹配塊，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有轉子，轉 子和軸通過固定螺絲相接，定子下匹配塊的下端設置固定螺母，固定螺母與定子 下匹配塊之間設有墊片，上壓電陶瓷、下壓電陶瓷之間設有四片電極片，轉子通 過彈性構件與定子上匹配塊連接；定子下匹配塊下端通過薄板連接在固定底座上。上述短柱搖頭型超聲波電機的連接件是對彈性轉子的下部圓盤體開上外環 槽、內槽、下外環槽，從上外環槽底部到連接件的下端為彈性轉子高度的36%， 下外環槽高度為彈性轉子高度的15%，連接件的下端寬度為彈性轉子直徑的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 一對電極，第二電極片和第四電極片為一對電極，每對電極片所對應的壓電陶瓷 區域相互反相極化，彈性轉子和軸通過固定螺絲相接，薄板是由聚合物構成，薄 板與定子下匹配塊用膠黏結一起。有益效果本發明在於提供一種短柱搖頭型超聲波電機，相對於一般柱體搖 頭型超聲波電機，它的結構尺寸短小，定子直徑15mm，這個電機長度為18.5mm。 這種短柱搖頭型超聲波電機採用了彈性固定底座，可以方便的將電機固定在待安 裝位置上，並且不影響電機的運行使電機能夠在高精度伺服驅動系統中應用。制 作的直徑為15mm的短柱搖頭型超聲波電機，運行頻率範圍較寬，從
39kHz 43kHz都能穩定運行，最高轉速超過200r/min,最低轉速接近8r/min，電 機堵轉力矩180gcm。


圖1是本發明的總體結構圖。其中有固定螺絲l、彈性轉子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是本發明的壓電陶瓷結構的示意圖。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是本發明連接件的結構示意圖。圖4是本發明彈性轉子的結構示意圖。其中有上外環槽21、內槽22、下 外環槽23。
具體實施方式
下面是本發明的具體實施例來進一步描述 實施例一本發明的短柱搖頭型超聲波電機由固定螺絲、轉子、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成。定子上 匹配塊和定子下匹配塊為螺紋配合機構，它們夾持壓電陶瓷並鎖緊構成定子，定 子整體長度短小，接近1: 1，定子上匹配塊開槽以放大定子的振動；轉子和軸 通過固定螺絲裝配到一起，固定螺母和墊片使轉子以一定的預壓力壓在定子上。 電機的轉子為彈性轉子2，彈性轉子2下部為連接件14,在施加預壓力後，轉子 產生彈性變形。彈性轉子直徑為15mm,這個電機長度為18.5mm。在 39kHz 43kHz都能穩定運行，連接件14的下端壁厚為0.45 rara時，電機最高轉 速為180rpm，電機定子表面磨損明顯增加，堵轉轉矩為50g cm左右，電機運 行噪音較大。圖2是本發明的短柱搖頭型超聲波電機的定子包括2片壓電陶瓷和4個電極 片，2片壓電陶瓷相同，在2片壓電陶瓷之間平均分布4個電極，即為4個極化
區。2片壓電陶瓷對稱疊合在一起，激勵電壓通過每對電極間電極片施加到壓電 陶瓷上。電機定子安裝在固定底座上，固定底座為菱形，並設置有彈性支撐聚合 物薄板，兩端有2個固定安裝孔，可以將整個電機固定在待安裝位置上。實施例二本發明的短柱搖頭型超—波電機由固定螺絲、轉子、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成。定子上 匹配塊和定子下匹配塊為螺紋配合機構，它們夾持壓電陶瓷並鎖緊構成定子，定 子整體長度短小，接近1: 1，定子上匹配塊開槽以放大定子的振動；轉子和軸 通過固定螺絲裝配到一起，固定螺母和墊片使轉子以一定的預壓力壓在定子上。 電機的轉子為彈性轉子2，彈性轉子2下部為連接件14，在施加預壓力後，轉子產生彈性變形。彈性轉子直徑為15mm，這個電機長度為18.5mm。在 39kHz 43kHz都能穩定運行，連接件14的下端壁厚為0. 75咖時，電機最高轉 速為200rpm，堵轉轉矩為180g cm左右，電機運行平穩、無噪音。圖2是本發明的短柱搖頭型超聲波電機的定子包括2片壓電陶瓷和4個電極 片，2片壓電陶瓷相同，在2片壓電陶瓷之間平均分布4個電極，即為4個極化 區。2片壓電陶瓷對稱疊合在一起，激勵電壓通過每對電極間電極片施加到壓電 陶瓷上。電機定子安裝在固定底座上，固定底座為菱形，並設置有彈性支撐聚合 物薄板，兩端有2個固定安裝孔，可以將整個電機固定在待安裝位置上。實施例三本發明的短柱搖頭型超聲波電機由固定螺絲、轉子、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成。定子上 匹配塊和定子下匹配塊為螺紋配合機構，它們夾持壓電陶瓷並鎖緊構成定子，定 子整體長度短小，接近1: 1，定子上匹配塊開槽以放大定子的振動；轉子和軸通過固定螺絲裝配到一起，固定螺母和墊片使轉子以一定的預壓力壓在定子上。電機的轉子為彈性轉子2，和定子的接觸部分部為連接件14,在施加預壓力後， 轉子產生彈性變形。彈性轉子直徑為15mm，這個電機長度為18.5mm。在 39kHz 43kHz都能穩定運行，連接件14的下端壁厚為0. 9 mm時，電機最高轉速
為100rpm，電機定子表面磨損明顯增加，堵轉轉矩為80g cm左右，電機運行 噪音變大。圖2是本發明的短柱搖頭型超聲波電機的定子包括2片壓電陶瓷和4個電極 片，2片壓電陶瓷相同，在2片壓電陶瓷之間平均分布4個電極，即為4個極化 區。2片壓電陶瓷對稱疊合在一起，激勵電壓通過每對電極間電極片施加到壓電 陶瓷上。電機定子安裝在固定底座上，固定底座為菱形，並設置有彈性支撐聚合 物薄板，兩端有2個固定安裝孔，可以將整個電機固定在待安裝位置上。
權利要求
1、一種短柱搖頭型超聲波電機，該電機包括定子、彈性轉子(2)、固定底座(7)、墊片(10)、軸(12)，其特徵在於該電機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)外周的中段設有軸承(4)，在軸承(4)外周設有定子上匹配塊(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)之間設有4個電極片(9)，在定子上匹配塊(3)上端設有彈性轉子(2)，彈性轉子(2)的下部設有連接件(14)，連接件(14)的下端與定子上匹配塊(3)的上端接觸，彈性轉子(2)和軸(12)相接，定子下匹配塊(8)的下端設置固定螺母(11)，固定螺母(11)與定子下匹配塊(8)之間設有墊片(10)，定子下匹配塊(8)外周凸出部的下端通過薄板(13)連接在固定底座(7)上。
2、 根據權利要求1所述的短柱搖頭型超聲波電機，其特徵在於所述的連接 件(14)是對彈性轉子(2)的下部圓盤體開上外環槽(21)、內槽(22)、下外 環槽(23)，從上外環槽(21)底部到連接件(14)的下端高度為彈性轉子(2) 高度的36%,下外環槽(23)高度為彈性轉子(2)高度的15%，連接件(14) 的下端壁厚為彈性轉子(2)直徑的3%到6%之間。
3、 根據權利要求1所述的短柱搖頭型超聲波電機，其特徵在於所述的電極 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)為一對電極，第二電極片(92)和第四電極片(94) 為一對電極，每對電極片所對應的壓電陶瓷區域相互反相極化。
4、 根據權利要求1所述的短柱搖頭型超聲波電機，其特徵在於所述的彈性 轉子(2)和軸(12)通過固定螺絲(11)相接，薄板(13)是由聚合物尼龍構 成，薄板(13)與定子下匹配塊(8)用環氧膠黏結一起。
全文摘要
本發明是一種短柱搖頭型超聲波電機屬於超聲波電機製造的技術領域，由定子、轉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構，它們夾持壓電陶瓷並鎖緊構成定子；轉子和軸通過固定螺絲裝配到一起，固定螺母和墊片使轉子以一定的預壓力壓在定子上。定子整體長度短小，轉子採用彈性支撐結構，以提高電機運行性能，電機定子安裝在固定底座上，固定底座為菱形，並設置有彈性支撐的薄板，兩端有2個固定安裝孔，可以將整個電機固定在待安裝位置上。
文檔編號H02N2/12GK101119078SQ200710130949
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月24日 優先權日2007年8月24日
發明者焱 張, 徐志科, 秦申蓓, 胡敏強, 龍 金, 顧菊平 申請人:東南大學