CN1141781C - 可双向旋转的驻波超声马达 - Google Patents

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Abstract

可双向旋转的驻波超声马达属于压电驱动器技术领域，其特征在于，它含有：由下端面上各区极化方向一致、间距相等、分割数是波长数4倍而上端面为统一电极的压电陶瓷环片以及和它相连且有驱动齿在周向等间距排列其中心位于极化区中央齿数为波长数二倍的金属环组成的定子，由和上述驱动齿紧密接触的摩擦环片以及和它相连的金属环组成的转子，中心轴，由中心轴调整螺钉、弹性调整件组成的预紧调整机构，内壁有中心轴定位用的环形轴套和球轴承的底座以及壳体，其中，定子在中心处与底座固定，压电陶瓷环片整片通电且在彼此紧邻的两个分割区片段中，每两对分割区各外接不同极性的电源。它具有陶瓷极化工艺简便，驱动方式简单，安装调整方便，转动平稳，输出力矩大等优点。

Description

可双向旋转的驻波超声马达
技术领域
一种可双向旋转的驻波超声马达属于压电驱动器领域。
背景技术
压电超声波马达由于自身响应速度快、断电自锁，无电磁扰动，低速运转等特点作为精密仪器的驱动元件有着十分广泛的应用，尤其是可双向旋转的驻波压电超声波马达更具有市场竞争力。1998年日本“应用物理”杂志(Jpn.J.Appl.Phys)第37期p2966～2969页、名称为“Effect of Pressing Force Applied to a Rotor on Disk-Type Ultrasonic Motor”(盘形超声波马达转子的受压效应)中提出了一种驻波压电超声波马达，其结构如图1～图2所示。它包括预紧调整机构11、转子12和定子13三大部分。其中，预紧调整机构包括螺母110、弹簧111、轴承112和中间的定位螺杆113；转子12由开槽的金属圆片120和圆摩擦片121组成；定子13由铣有齿1310的金属圆板131、传感陶瓷132和驱动压电陶瓷片133组成，驱动压电陶瓷片133采用不同分割区间的交替正、反向极化，齿位于相邻两个同极性极化区的交界线上。分别给引线1和2加交流电便可在定子的不同位置激发出同一振动模态，实现双向旋转。但它具有以下缺点：1、驱动压电陶瓷片133由于不同的分割区间的极化方向不一致，给陶瓷极化工艺带来难度，极化后很难保证正、反方向电参数的一致性，而且在陶瓷正、反极化的分界线处有极化形成的内应力，会影响马达定子激发出纯净的振动模态，一般会有一些杂波干扰；2、马达定子采用板状结构，激发的模态是(1、3)模式，即在定子的圆周有一条节圆。一般这种模态的定子固定在节圆处，但该马达在中心定位螺杆处固定，会形成对马达定子振动的抑制，影响转子力矩的输出；3、马达定子驱动齿的个数少，增大了定、转子之间的摩擦损耗，影响马达使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷极化工艺简便，驱动方式简单，调整方便，转子转动平稳，输出力矩大和寿命长的可双向旋转的驻波超声马达。
本发明的特征在于，它含有：由下端面上每分割区的极化方向一致，间距相等且分割数是弯曲振动沿圆周方向波长数四倍，而上端面为统一电极的压电陶瓷环片以及和它相连的金属环组成的定子，在该金属环圆周方向等间距排列着齿数为弯曲振动沿圆周方向波长数二倍且各齿的中心位于各分割区中央的驱动齿，由和上述驱动齿紧密接触的摩擦环片以及和它相连的金属环片组成的转子，中心轴，由中心轴调节螺钉、弹性调整件组成的预紧调整机构，内套中心轴定位用环形轴套和标准球轴承且在中心处与定子固定的底座以及与它相连的壳体；其中，在顺圆周方向，每对分割区中的第一区或第二区所连接的信号极性是固定的，而第二区或第一区所连接的信号极性是可由开关切换的，以控制马达转子的旋转方向。
使用证明：它可实现预期目的。
附图说明
图1：现有的可双向旋转的驻波超声马达的立体装配图。
图2：图1中驱动压电陶瓷片的电极分割区俯视图。
图3：本发明提出的可双向旋转的驻波超声马达的剖视图。
图4：本发明提出的可双向旋转的驻波超声马达的原理示意图。
图5：本发明提出的可双向旋转的驻波超声马达中压电陶瓷环片下端面上分割区a、b、c、d的分布及其与单路高频交流信号的连接示意图。
图6：图5中的压电陶瓷环片的上端面示意图。
具体实施方式
在图2中，″+″、″-″表示电畴即极化方向，1、2分别表示正、反转时接单路高频交流信号的引线，1310是驱动齿。
在图3-图4中，定子21由上端面是统一电极，下端各极化区电畴方向一致、间距相等、采用电极分隔且分割数是弯曲振动沿圆周方向波长数4倍的压电陶瓷环片212以及与其相粘接的金属环211组成。电畴方向一致使陶瓷极化工艺简化且极化区间不会产生内应力。金属环211上有8个驱动齿2110，每个齿的空间间距相差半个弯曲振动沿圆周方向波长。各齿2110的外齿侧与内齿侧采用斜角设计，内齿侧的齿槽比外齿侧的齿槽深，其目的是使当驱动齿2110变形时可基本相当于直梁的变形，比较接近于理想的弹性变形，也有利于马达的大力矩输出。转子20由与驱动齿2110紧密接触的摩擦环片202和与其粘接的金属环片201组成。其驱动原理请见图4。图中的符号、代表所加电压的极性，当按图5所示使所有分割区都处于通电工作状态，而且在驻波A和B相差1/4弯曲振动沿圆周方向波长的条件下，使如图5所示，分割区a即a1～a4和分割区b即b1～b4处于正极性，而分割区c即c1～c4和d即d1～d4处于负极性，即可得图4(b)所示振动模式，若使分割区b、c处于负极性，a，d处于正极性，则如图4(a)所示，马达旋转方向相反。如图4(b)所示，定子21始终在实线与虚线的范围内往复振动，P点是超声振动的波腹点，N点是振幅始终为零的波节处，由于此时的驱动齿2110在P点的左1/4波长的范围内，造成齿2110摆动的曲线斜向左，则转子20的移动方向向左，图中的箭头表示各驱动齿2110顶端的移动方向和距离的示意图。预紧即预应力调整机构23由中心轴22、靠近转子20一端的螺钉230、垫片231、蝶形弹簧232、橡胶环片233以及靠近中心轴22另一侧的定位用预应力调整垫片234、标准轴用卡环235组成。螺钉230的作用在于当马达使用时通过螺钉230对中心轴22的位置进行调整，从而为马达在使用中对中心轴22与外接件的位置对正带来方便。底座24的内壁有中心轴22定位用的环形轴套241和标准球轴承242，定子21在中心处与马达的底座24用螺钉固定，因本发明采用环形结构，振动集中在定子21的外边缘，故不会影响定子21的振动；而且定子上不存在节圆，振动基本集中在驱动齿2110处，也有利于马达大力矩输出。
此外，转子20的金属环片202和定子21的金属环211用的材料分别是铝和青铜。
由此可见，本发明具有陶瓷极化工艺简便，驱动方式简单，转子转动平稳，输出力矩大、调整安装方便等一系列优点。

Claims (3)

1、一种可双向旋转的驻波超声马达，含有定子、转子和预紧调整机构，其特征在于，它含有：由下端面上每分割区的极化方向一致，间距相等且分割数是弯曲振动沿圆周方向波长数四倍，而上端面为统一电极的压电陶瓷环片以及和它相连的金属环组成的定子，在该金属环圆周方向等间距排列着齿数为弯曲振动沿圆周方向波长数二倍且各齿的中心位于各分割区中央的驱动齿，由和上述驱动齿紧密接触的摩擦环片以及和它相连的金属环片组成的转子，中心轴，由中心轴调节螺钉、弹性调整件组成的预紧调整机构，内套中心轴定位用环形轴套和标准球轴承且在中心处与定子固定的底座以及与它相连的壳体；其中，在顺圆周方向，每对分割区中的第一区或第二区所连接的信号极性是固定的，而第二区或第一区所连接的信号极性是可由开关切换的，以控制马达转子的旋转方向。
2、据权利要求1的可双向旋转的驻波超声马达，其特征在于，各相邻驱动齿沿圆周方向的间距为弯曲振动波的半波长。
3、根据权利要求1的可双向旋转的驻波超声马达，其特征在于：所述的压电陶瓷环片的一侧采用统一的电极，而另一侧是采用电极等间隔式分割的，极化方向沿陶瓷厚度方向。
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