CN1141782C - 可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达 - Google Patents
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Abstract
可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达属于压电超声波马达技术领域，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多组阵列齿在周向断续等间距排列且其中心位于相邻极化区间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，压电陶瓷环片上每相邻两个极化区各自外接用于控制马达正、反转的单路高频交流信号。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，输出力矩大且寿命长等优点。
Description
技术领域
一种可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达属于压电超声波马达制造领域。
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 U1trasonic 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多组阵列齿驻波环形压电超声波马达。
本发明的特征在于，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驻波波数的整数倍，而上端面为统一电极的压电陶瓷环片以及和该环片相连的金属环组成的定子，在该金属环上端面的圆周方向呈断续等间距地排列着驱动用多组阵列齿，每组阵列齿的中心位于相邻极化区间的交界处；由和上述多组阵列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，内壁有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，压电陶瓷环片上每相邻两个极化区分别外接用于控制马达正、反转的单路高频交流信号。分割区的分割数是驻波波数的4倍。
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压电超声波马达的立体装配图。
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多组阵列齿驻波环形压电超声波马达的剖视图。
图4：本发明提出的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达的原理示意图。
图5：本发明提出的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达中压电陶瓷环片下端面上分割区的极化方向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。
图7：多组阵列齿的结构分布示意图。
图8a：图7的剖视图；
图8b：图7中齿2110的放大图。
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8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波数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10组阵列齿2110，各组阵列齿的空间间距相差半个波长入，每组阵列齿占1/4波长的定子空间。每组阵列齿的个数至少大于1个，且每组齿数相等，在本实施例中，齿是3个。这种多组驱动齿增加了定子21、转子20之间驱动力传递点的数量，有利于力矩的输出，同时接触点多可减少两者间的摩擦损失，提高转子20上摩擦环片202及马达的使用寿命。各组阵列齿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，当给A组对应的压电陶瓷环片212通电时，定子21会产生图4中最上面图示的振动模态，定子21始终在实线与虚线的范围内往复振动，P点是超声振动的波峰及波谷点，N点是振动始终为O点节点处，由于此时的驱动齿2110在P点的右1/4波长的范围内，造成齿2110摆动的曲线斜向右，则转子20的移动方向向右，图中的箭头表示各驱动齿2110的移动方向和距离的示意图。当给B组对应压电陶瓷环片212通电时，定子21会产生中间图示的振动模态，此时驱动齿2110在P点的左1/4波长范围内，使驱动齿2110摆动的曲线斜向左，则转子20的移动方向也向左，箭头方向也相应向左。单路高频交流信号与压电陶瓷环片212下端面的连接见图5。当单路高频交流信号按极性_、_加到相间隔的压电陶瓷环片212上时，驱动齿2110会统一向圆同一侧摆动，驱动转子20向驱动齿2110摆动的这侧转动，反之也然。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230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的扰动；而且定子上不存在节圆，扰动基本集中在驱动齿2110处，也有利于马达大力矩输出。
此外，压电陶瓷环片212的材料是压电常数d33高于250×10-12C/N、机械品质因数Qm高于1000的硬性压电陶瓷片，也可用d33高于300×10-12C/N、机械品质因数高于400的中性压电陶瓷片；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，寿命长等一系列优点
Claims (9)
1、可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达，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驻波波数的整数倍，而上端面为统一电极的压电陶瓷环片以及和该环片相连的金属环组成的定子，在该金属环上端面的圆周方向呈断续等间距地排列着驱动用多组阵列齿，每组阵列齿的中心位于相邻极化区间的交界处；由和上述多组阵列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，内壁有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，压电陶瓷环片上每相邻两个极化区分别外接用于控制马达正、反转的单路高频交流信号。
2、据权利要求1的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达，其特征在于，各组阵列齿的空间间距相差半个波长，每组阵列齿占1/4波长的定子空间。
3、根据权利要求1的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达，其特征在于：所述多组阵列齿每组的齿数至少大于一个，且各组的齿数相等。
4、据权利要求1或3所述的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达，其特征在于：所述多组阵列齿每组的齿数是3个，且各组相同。
5、根据权利要求1的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达，其特征在于：所述的分割区的分割数是驻波波数的4倍。
6、根据权利要求1的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达，其特征在于：所述的压电陶瓷环片的一侧采用统一的电极，而另一侧是沿圆周方向分割成大小、形状、间距彼此都相同的电极区，该电极区的极化方向沿陶瓷厚度方向。
7、根据权利要求1的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达，其特征在于：所述多组阵列齿的外齿侧与内齿侧沿径向采用斜角设计，内齿侧齿槽的深度要高于外齿侧齿槽的深度。
8、根据权利要求1的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达，其特征在于：所述的压电陶瓷环片的材料是d33高于250×10-12C/N、机械品质因数Qm高于1000的硬性压电陶瓷片。
9、根据权利要求1的可双向旋转的多组阵列齿驻波环形压电超声波马达，其特征在于：所述的压电陶瓷环片的材料是d33高于300×10-12C/N、机械品质因数Qm高于400的中性压电陶瓷片。
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