具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機的製作方法

2023-09-16 08:25:20 1

專利名稱：具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適用於機械設備、精密測量、計量、辦公自動化設備、工業電器、家用電器、機器人、汽車、航空航天設備等各種場合的定位和驅動的具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機。
背景技術：
超聲波電機是利用壓電材料晶體在外電場作用下發生形變，以此為驅動力來產生運動的電動機。這種超聲波電機有以下特點1、它不需要像傳統感應式電機那樣，是根據載流導體在磁場中受到電動力的原理，把電能轉換為直線運動的機械能。2、沒有定子和轉子部分的線圈和鐵心，結構簡單、體積小、重量輕、製造方便。3、不受磁場影響、不產生電磁波。4、力矩大、響應快，可超低速運行，速度易於控制。5、步距小、精度高。超聲波電機適用於精密測量、計量、辦公自動化設備、工業電器、家用電器、機器人、汽車、航空航天設備等各種場合的定位和驅動。超聲波電機的工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應。如果將壓電晶體置於外電場中，由於電場作用會引起晶體內部正負電荷重心位移，這一極化位移又導致晶體發生形變。如果外加電場的極性與壓電體的極化方向一致，則壓電體與電場垂直方向的長度增長； 反之，當外加電場的極性與壓電體的極化方向相反，則壓電體與電場垂直方向的長度縮短。 去除電場後，壓電體恢復常態。重複地給壓電體施加電場和去除電場，壓電體就會重複地產生位移。這種位移就是超聲波電機工作的動力。但是，現有的超聲波電機由於結構和力傳遞方式的原因，存在推力小、效率低、損耗大、壽命短、難以做到低速和超低速運行等缺陷，需要改進。

實用新型內容本實用新型的目的在於克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種推力大、效率高、損耗小、能夠超低速運行、使用壽命長的具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機。本實用新型的目的通過下述技術方案實現具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機，主要由呈圓盤形結構的定子、以及套裝在定子外壁上並形成滑動配合的盤形轉子構成，所述定子的一端端面上設置有延伸至轉子內壁的離合壓電條凹槽，所述離合壓電條凹槽的側壁分別連通有位置相對的旋轉力臂凹槽和彈簧凹槽，所述旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽的一側連通有驅動壓電條凹槽；所述離合壓電條凹槽內設置有離合壓電條，旋轉力臂凹槽內設置有旋轉力臂，彈簧凹槽內設置有彈簧，驅動壓電條凹槽內設置有驅動壓所述離合壓電條凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其逆時針旋轉方向一側的旋轉力臂凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其順時針旋轉方向一側的彈簧凹槽、與旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽一側連通的驅動壓電條凹槽、設置在離合壓電條凹槽內的離合壓電條，設置在旋轉力臂凹槽內的旋轉力臂，設置在彈簧凹槽內的彈簧，設置在驅動壓電條凹槽內的驅動壓電條構成順時針旋轉驅動單元；所述離合壓電條凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其順時針旋轉方向一側的旋轉力臂凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其逆時針旋轉方向一側的彈簧凹槽、與旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽一側連通的驅動壓電條凹槽、設置在離合壓電條凹槽內的離合壓電條，設置在旋轉力臂凹槽內的旋轉力臂，設置在彈簧凹槽內的彈簧，設置在驅動壓電條凹槽內的驅動壓電條構成逆時針旋轉驅動單元；所述順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元均至少為一個。當電機只需單方向運行的功能時只設立順時針旋轉驅動單元或逆時針旋轉驅動單元，當需要正反向運行的功能時則順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元都要設置，即順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元均至少為一個。作為本實用新型的一種優選方式，順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元都為一個；本實用新型中的順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元的數目不限於此，也可根據實際需要另行選擇。現有的用於製造壓電條的壓電材料或元件，每次通斷電周期的位移(伸縮)只能做到器件尺寸的千分之幾或百分之幾，如要增加每次通斷電周期的位移(伸縮)，必然增加壓電條的長度或使用量，提高電機的製造成本。為了克服上述缺點，提高每個動作周期的位移行程，降低製造成本，本實用新型主張了位移放大機構，方法是採用旋轉力臂和旋轉力臂轉軸構成位移放大機構，旋轉力臂靠近驅動壓電條的一端的力臂小於另一端力臂的長度， 驅動壓電條的位移就被放大，調整旋轉力臂兩端的長度，即可調整位移放大的比例；同上述原理，旋轉力臂靠近驅動壓電條的一端的力臂大於另一端力臂的長度，驅動壓電條的位移就縮小，驅動力就被放大。所述定子的外壁上設置有定子端蓋。所述離合壓電條、驅動壓電條均通過電源線與外部電源相連，所述外部電源為電機的供電電源和控制電源；電源裝置和控制裝置按照預先的設定分別對電機各離合壓電條、驅動壓電條的通電的時間、矢量、頻率以及邏輯順序進行控制，從而控制電機的速度、推力、位移、運行方向；上述參數可預先設置且可根據使用要求隨時修改。所述旋轉力臂凹槽內設置有旋轉力臂轉軸，旋轉力臂套設在旋轉力臂轉軸上且能繞其轉動。所述離合壓電條凹槽內還設置有吸鐵，且該吸鐵設置在離合壓電條遠離轉子內壁的一端，與吸鐵平面相鄰的離合壓電條凹槽壁上設置有導磁體，永久電磁吸鐵與導磁體相吸，使得離合壓電條的位置始終靠近遠離轉子內壁的一端。離合壓電條凹槽的一側連通有彈簧凹槽，彈簧凹槽內設置彈簧，去除離合壓電條的電場後，在彈簧的作用下，離合壓電條、旋轉力臂回復到初始狀態。上述離合壓電條和驅動壓電條為壓電材料加工而成的壓電零件，具有施加高頻電場時往長度方向伸長，失去電場後恢復至自然狀態的特性，由於壓電材料屬於現有成熟技術，在此不再贅述。上述定子和轉子零部件的材質可以是金屬材料也可以是非金屬材料。[0024]基於上述具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機的工作方法，其特徵在於， 包括順時針旋轉工作過程和逆時針旋轉工作過程，其中順時針旋轉工作過程電機初始狀態下，給順時針旋轉驅動單元中的離合壓電條通電，使其伸長，接近並擠壓轉子內壁，使離合壓電條與轉子內壁之間形成靜摩擦配合；給順時針旋轉驅動單元中的驅動壓電條通電，使其伸長，推動順時針旋轉驅動單元中的旋轉力臂繞旋轉力臂轉軸旋轉，進而推動離合壓電條帶動電機轉子沿順時針方向旋轉；斷開離合壓電條的電源，離合壓電條收縮，離合壓電條與轉子內壁分離，斷開驅動壓電條的電源， 驅動壓電條收縮，在彈簧的作用下，驅動壓電條和旋轉力臂逆時針運動回復到初始狀態。逆時針旋轉工作過程電機初始狀態下，給逆時針旋轉驅動單元中的離合壓電條通電，使其伸長，接近並擠壓轉子內壁，使離合壓電條與轉子內壁之間形成靜摩擦配合；給逆時針旋轉驅動單元中的驅動壓電條通電，使其伸長，推動順時針旋轉驅動單元中的旋轉力臂繞旋轉力臂轉軸旋轉，進而推動離合壓電條帶動電機轉子沿逆時針方向旋轉；斷開離合壓電條的電源，離合壓電條收縮，離合壓電條與轉子內壁分離，斷開驅動壓電條的電源， 驅動壓電條收縮，在彈簧的作用下，驅動壓電條和旋轉力臂順時針運動回復到初始狀態。重複上述順時針旋轉工作過程，轉子即相對於定子進行順時針方向旋轉的連續運動；重複上述逆時針旋轉工作過程，轉子即相對於定子進行逆時針方向旋轉的連續運動。上述電機工作方法針對只有一個順時針旋轉驅動單元和一個逆時針旋轉驅動單元的情況，在實際工作中常常根據需要設計多個順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元，其驅動原理均建立在上述方法的基礎上，在此不再贅述。綜上所述，本實用新型的有益效果是(1)本實用新型相對於現有的超聲波電機，在同等輸入功率下具有更大的推力；(2)本實用新型相對於現有的超聲波電機，可以具有更高或更低的運行速度；(3)本實用新型相對於現有的超聲波電機，具有更高的工作效率；(4)本實用新型相對於現有的超聲波電機，工作損耗小，使用壽命更長；(5)本實用新型通過設置位移放大機構，提高了每個動作周期的位移行程，從而滿足電機的工作要求，彌補採用現有壓電材料位移量小的缺陷，降低了電機的製造成本。

圖1為本實用新型的內部結構示意圖；圖2為本實用新型的整體結構示意圖。附圖中標記及相應的零部件名稱1 一定子；2—轉子；3—離合壓電條；4一旋轉力臂；5—彈簧；6—驅動壓電條；7—定子端蓋；8—電源線；9一旋轉力臂轉軸；10—吸鐵。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明，但本實用新型的實施方式不僅限於此。實施例1 如圖1和2所示，本實用新型主要由呈圓盤形結構的定子1、以及套裝在定子1外壁上並形成滑動配合的盤形轉子2構成，所述定子1的外壁上設置有定子端蓋7，用於對轉
5子2進行限位，使其不能軸向串動；所述定子1的一端端面上設置有延伸至轉子2內壁的離合壓電條凹槽，所述離合壓電條凹槽的側壁分別連通有位置相對的旋轉力臂凹槽和彈簧凹槽，即旋轉力臂凹槽和彈簧凹槽優先在離合壓電條凹槽的側壁圓周上相隔180°，從而能更好的起到復位作用，本實用新型中旋轉力臂凹槽和彈簧凹槽的相對位置並不局限於此， 只要位置在離合壓電條凹槽的側壁上大體相對即可實現復位作用；所述旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽的一側連通有驅動壓電條凹槽；所述離合壓電條凹槽內設置有離合壓電條 3，旋轉力臂凹槽內設置有旋轉力臂4，彈簧凹槽內設置有彈簧5，驅動壓電條凹槽內設置有驅動壓電條6。所述離合壓電條凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其逆時針旋轉方向一側的旋轉力臂凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其順時針旋轉方向一側的彈簧凹槽、與旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽一側連通的驅動壓電條凹槽、設置在離合壓電條凹槽內的離合壓電條3，設置在旋轉力臂凹槽內的旋轉力臂4，設置在彈簧凹槽內的彈簧5，設置在驅動壓電條凹槽內的驅動壓電條6構成順時針旋轉驅動單元；所述離合壓電條凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其順時針旋轉方向一側的旋轉力臂凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其逆時針旋轉方向一側的彈簧凹槽、與旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽一側連通的驅動壓電條凹槽、設置在離合壓電條凹槽內的離合壓電條3，設置在旋轉力臂凹槽內的旋轉力臂 4，設置在彈簧凹槽內的彈簧5，設置在驅動壓電條凹槽內的驅動壓電條6構成逆時針旋轉驅動單元；所述順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元均至少為一個；當電機只需單方向運行的功能時只設立順時針旋轉驅動單元或逆時針旋轉驅動單元，當需要雙向運行的功能時則順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元都要設置，即順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元均至少為一個，具體數目可以根據實際需求進行設計，圖1和2中所示的電機即為順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元均為一個的情況，圖1中右半部分為順時針旋轉驅動單元，左半部分為逆時針旋轉驅動單元。所述旋轉力臂凹槽內設置有旋轉力臂轉軸9，旋轉力臂4套設在旋轉力臂轉軸6上且能繞其轉動，從而構成類似槓桿原理的位移放大機構，使得位移放大效果更加明顯。所述離合壓電條凹槽內還設置有吸鐵10，且該吸鐵10設置在離合壓電條3遠離轉子2內壁的一端，與吸鐵平面相鄰的離合壓電條凹槽壁上設置有導磁體，永久電磁吸鐵10 與導磁體相吸，使得離合壓電條3的位置始終靠近遠離轉子2內壁的一端。現結合圖1和圖2所示的電機，其中順時針旋轉驅動單元位於圖1中右半部分， 逆時針旋轉驅動單元位於圖1中左半部分，詳細闡述本實用新型的工作原理及其過程，包括順時針旋轉工作過程和逆時針旋轉工作過程，其中順時針旋轉工作過程電機初始狀態下，給順時針旋轉驅動單元中的離合壓電條 3通電，使其伸長，接近並擠壓轉子2內壁，使離合壓電條3與轉子2內壁之間形成靜摩擦配合；給順時針旋轉驅動單元中的驅動壓電條6通電，使其伸長，推動順時針旋轉驅動單元中的旋轉力臂4繞旋轉力臂轉軸9旋轉，進而推動離合壓電條3帶動電機轉子2沿順時針方向旋轉；斷開離合壓電條3的電源，離合壓電條3收縮，離合壓電條3與轉子2內壁分離，斷開驅動壓電條6的電源，驅動壓電條6收縮，在彈簧5的作用下，驅動壓電條6和旋轉力臂 4逆時針運動回復到初始狀態；逆時針旋轉工作過程電機初始狀態下，給逆時針旋轉驅動單元中的離合壓電條3通電，使其伸長，接近並擠壓轉子2內壁，使離合壓電條3與轉子2內壁之間形成靜摩擦配合；給逆時針旋轉驅動單元中的驅動壓電條6通電，使其伸長，推動順時針旋轉驅動單元中的旋轉力臂4繞旋轉力臂轉軸9旋轉，進而推動離合壓電條3帶動電機轉子2沿逆時針方向旋轉；斷開離合壓電條3的電源，離合壓電條3收縮，離合壓電條3與轉子2內壁分離，斷開驅動壓電條6的電源，驅動壓電條6收縮，在彈簧5的作用下，驅動壓電條6和旋轉力臂 4順時針運動回復到初始狀態；重複上述順時針驅動過程，轉子2即相對於定子1進行順時針方向旋轉的連續運動；重複上述逆時針驅動過程，轉子2即相對於定子1進行逆時針方向旋轉的連續運動。上述電機工作方法針對只有一個順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元的情況，在實際工作中，為了使得轉子2的順時針旋轉和逆時針旋轉的距離或轉矩更大，常常根據需要設計多個順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元，使其連續的進行順時針旋轉和逆時針旋轉，直至達到需求的運動距離或轉矩，其驅動原理均建立在上述方法的基礎上，在此不再贅述。所述離合壓電條3、驅動壓電條6均通過電源線8與外部電源相連，電源裝置和控制裝置分別給離合壓電條3和驅動壓電條6提供電源；電源裝置和控制裝置按照預先的設定分別對離合壓電條3和驅動壓電條6的通電的時間、矢量、頻率以及邏輯順序進行控制， 從而控制電機的速度、推力、位移、運行方向；上述參數可預先設置且可根據使用要求隨時修改。如上所述，便可較好的實現本實用新型。
權利要求1.具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機，主要由呈圓盤形結構的定子(1)、以及套裝在定子(1)外壁上並形成滑動配合的盤形轉子(2)構成，其特徵在於，所述定子(1) 的一端端面上設置有延伸至轉子(2)內壁的離合壓電條凹槽，所述離合壓電條凹槽的側壁分別連通有位置相對的旋轉力臂凹槽和彈簧凹槽，所述旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽的一側連通有驅動壓電條凹槽；所述離合壓電條凹槽內設置有離合壓電條(3)，旋轉力臂凹槽內設置有旋轉力臂(4)，彈簧凹槽內設置有彈簧(5)，驅動壓電條凹槽內設置有驅動壓電條(6)。
2.根據權利要求1所述的具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機，其特徵在於， 所述離合壓電條凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其逆時針旋轉方向一側的旋轉力臂凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其順時針旋轉方向一側的彈簧凹槽、與旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽一側連通的驅動壓電條凹槽、設置在離合壓電條凹槽內的離合壓電條 (3)，設置在旋轉力臂凹槽內的旋轉力臂(4)，設置在彈簧凹槽內的彈簧(5)，設置在驅動壓電條凹槽內的驅動壓電條(6)構成順時針旋轉驅動單元；所述離合壓電條凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其順時針旋轉方向一側的旋轉力臂凹槽、與離合壓電條凹槽連通並位於其逆時針旋轉方向一側的彈簧凹槽、與旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽一側連通的驅動壓電條凹槽、設置在離合壓電條凹槽內的離合壓電條(3)，設置在旋轉力臂凹槽內的旋轉力臂(4)，設置在彈簧凹槽內的彈簧(5)，設置在驅動壓電條凹槽內的驅動壓電條(6)構成逆時針旋轉驅動單元；所述順時針旋轉驅動單元和逆時針旋轉驅動單元均至少為一個。
3.根據權利要求1或2所述的具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機，其特徵在於，所述定子(1)的外壁上設置有定子端蓋(7)。
4.根據權利要求1或2所述的具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機，其特徵在於，所述離合壓電條(3)、驅動壓電條(6)均通過電源線(8)與外部電源相連。
5.根據權利要求1或2所述的具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機，其特徵在於，所述旋轉力臂凹槽內設置有旋轉力臂轉軸(9)，旋轉力臂(4)套設在旋轉力臂轉軸(6) 上且能繞其轉動。
6.根據權利要求1或2所述的具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機，其特徵在於，所述離合壓電條凹槽內還設置有吸鐵(10)，且該吸鐵(10)設置在離合壓電條(3)遠離轉子(2)內壁的一端。
專利摘要本實用新型公開了一種具有離合和位移放大機構的盤式超聲波電機，包括呈圓盤形結構的定子、以及套裝在定子外壁上並形成滑動配合的盤形轉子構成，其特徵在於，所述定子的一端端面上設置有延伸至轉子內壁的離合壓電條凹槽，所述離合壓電條凹槽的側壁分別連通有位置相對的旋轉力臂凹槽和彈簧凹槽，所述旋轉力臂凹槽遠離離合壓電條凹槽的一側連通有驅動壓電條凹槽；所述離合壓電條凹槽內設置有離合壓電條，旋轉力臂凹槽內設置有旋轉力臂，彈簧凹槽內設置有彈簧，驅動壓電條凹槽內設置有驅動壓電條。本實用新型推力大、效率高、損耗小、能夠超低速運行、使用壽命長。
文檔編號H02N2/10GK202085094SQ20112019266
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月9日 優先權日2011年6月9日
發明者劉勤 申請人:劉勤