CN1267950A - 双向旋转纵弯驻波超声马达 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声马达技术领域,包括含一个纵弯振动朗之万复合振子的定子和转子,该纵振压电片中夹有铜电极片,所说的上、下金属匹配块为两个中空柱体,一轴插入其中,该振子的一端固定有弯曲振动片,所说的转子压在弯曲振动片上,所说的弯曲振动片的一侧面粘贴有压电片,该马达不但继承了原有驻波超声马达的优点,而且实现了马达的双向旋转;此外这种马达还可通过调整纵振和弯曲振动的相位调整转矩和转速等运行参数。

Description

双向旋转纵弯驻波超声马达

本发明属于超声马达技术领域，特别涉及驻波超声马达的结构设计。

压电超声马达是利用压电陶瓷的逆压电效应，在定子表面产生超声振动，并由定子驱动转子运动的一种马达。超声马达具有以下优于普通电磁马达的特点：

1、低转速、大转矩，不需要减速机构可直接驱动负载。

2、体积小、结构灵活，功率体积比是电磁马达的3-10倍。

3、起动停止响应快，响应时间小于1毫秒。

4、不产生电磁干扰，也不受电磁干扰。

5、有自保持力矩，无齿轮间隙，可精密定位。

6、运行安静无噪声。

附图1是熊田明生(Kumada)的单一共振模态型驻波超声马达结构示意图。各部分具体说明如下：

该马达由一个纵振朗之万振子、一带斜槽1151的圆盘及其上方的立梁1152复合构成定子11，带斜槽的圆盘及其上方的立梁统称为扭转耦合器115，它能把由朗之万振子产生的纵振动转换为圆盘上方梁的扭转振动(扭曲梁和斜槽成一角度)。纵振朗之万振子由两金属匹配块111、114通过螺栓夹合两片压电陶瓷片112组成，在两片压电陶瓷片112中间是一层薄的铜电极片作为信号电极，还有一片铜电极片与金属匹配块连接作为地电极。在两片电极间加上几十千赫兹的交流电信号，就可以通过逆压电效应在陶瓷片上激励出纵向的机械振动。该纵向振动的一部分使圆盘产生弯曲振动，圆盘的弯曲振动又转换为梁的扭转振动。另一部分纵振动通过圆盘传到梁的上端面，形成梁端面的纵、扭复合振动。转子12通过螺栓和加压弹簧14压在定子上，转子与螺栓之间安装轴承13来定位，通过螺栓上的加压螺母15可调节弹簧14的预压力。定子被激振后，靠定、转子之间的摩擦力驱动转子转动。该马达的外型尺寸30mm×60mm，输入电压100V，功率15w，工作频率40KHz，转速120rpm，扭矩高达1.3Nm，效率高达80％，最大输出功率密度80w/kg，(而同类型的电磁马达的最大输出功率密度是30w/kg)。尽管这种驻波超声马达具有以上许多优点，由于该马达存在以下问题，其应用受到了很大的限制。

首先，该驻波超声马达的转动方向对于同一个驱动频率只能向一个方向旋转，如果换向则需寻找另外的频率驱动，而且驱动力矩与前者不同，效率也会下降很多。其次，这种驻波超声马达无法分别调整纵振、扭曲振动之间的相位差和振动的强弱，也无法分别调整转矩和转速等参数。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种双向旋转纵弯驻波超声马达，该马达不但继承了原有驻波超声马达的优点，而且实现了马达的双向旋转；此外这种马达还可通过调整纵振和弯曲振动的相位调整转矩和转速等运行参数。

本发明提出的一种双向旋转纵弯驻波超声马达，包括含一个纵弯振动朗之万复合振子的定子，和转子，该纵弯振动朗之万复合振子由多个纵振压电片与上金属匹配块，下金属匹配块通过螺纹夹合制成，该纵振压电片中夹有铜电极片，其特征在于，所说的上、下金属匹配块为两个中空柱体，一轴插入其中，该振子的一端固定有弯曲振动片，所说的转子套在轴上，靠键与轴抱紧，并通过紧固螺母和弹簧施加预压力将所说的转子压在弯曲振动片上，所说的弯曲振动片的一侧面粘贴有压电片。

所说的振子的弯曲振动片另一侧也可粘贴有压电片。

本发明还可包括在所说的振子的另一端固定有第二个粘贴有压电片的弯曲振动片，套在轴上，靠键与轴抱紧的第二个转子，该转子通过紧固螺母紧压在所说的振子的另一端的第二个弯曲振动片上。

本发明有以下特点及效果：1.采用可控的纵弯模式可方便的实现对马达换向及其它运转性能的控制；2.定子上弯曲片的数目可以是2片、3片、4片、6片等；3.弯曲片的端部加工成平面，内圆或外圆可加工成锥面以增大转子与定子的接触区，并可利用V形锥面的定位特性保证马达运转的同轴性和稳定性；4.可使用单、双转子结构；5.使用双转子结构，可省去定位轴承，使结构更为简化；6.该马达在制造和组装工艺上无特殊要求，易于进行批量化生产。7.该马达通过应用双转子结构可获得更大功率体积比。8.由于可方便的实现马达的换向使马达的应用场合更广。可用于轴输出驻波超声马达使用的领域。如驱动定位系统，机器人关节，调整仰角，轿车坐椅升降，泵或阀门的开关等。

附图简要说明：

图1为熊田明生单一共振模态型驻波超声马达结构示意图。

图2为本发明的双晶片一双弯曲振动片型纵弯驻波超声马达实施例结构示意图；

其中，(a)为轴向剖面图；(b)为(a)的A-A截面剖示图。

图3为本发明的单转子双梁单晶片纵弯驻波马达实施例结构示意图；

其中，(a)为轴向剖面图；(b)为(a)的B-B截面剖示图。

本发明的两种实施例结合附图详细说明如下：

实施例一为一种双转子一双晶片一双弯曲振动片纵弯驻波超声马达，其结构如图2所示，图中：包括轴21、上紧固螺母22、盘形弹簧23、垫片24、上转子25、上定子26、弯曲振动片261、压电片262、小平面263(安装时固定用)、纵振压电陶瓷片27、铜电极片28、下定子29、下转子210、下紧固螺母211、垫片212。

定子主要部分包含一个纵振动朗之万复合振子，纵振动朗之万复合振子由纵振压电片27与上定子26下定子29通过螺纹夹合制成，朗之万复合振子的上部为弯曲振动片261，通过紧固螺母22和弹簧23施加预压力将转子25压在弯曲振动片的上端部。如图a所示，根据需要，弯曲振动片可以为2片、3片、4片等。弯曲振动片两侧均粘贴压电片(双晶片结构)，如图2b所示，压电晶片262粘贴在弯曲振动片261的侧面。在这些压电片上加一路电信号时可使之产生所需要的弯曲振动。在另一路电信号的激励下产生纵向振动。调整弯曲振动片长度及厚薄可使弯曲振动的振动频率与纵振振动频率一致。纵振动与弯曲振动在弯曲振动片的上端面产生复合振动，由此使压在端部的转子产生旋转运动。使用两路独立的、相位差可调的电信号分别激励纵振动压电片与弯曲振动压电片，可以实现对两种振动相位差的调节，使加在弯曲振动片上的电信号的相位反相可实现转子的反向旋转。通过分别调整纵振和弯曲振动的驱动电压高低或由紧固螺母调整转子与定子间的预压力，可以调整马达的驱动力矩及转速等。

马达组装可参照以下步骤进行：首先应将弯曲压电晶片粘贴到上定子、下定子各弯曲振动片两侧相应位置；待粘结剂固化后将纵振压电晶片和铜电极片按一定顺序叠放(由上至下依次为铜电极、压电片、铜电极、压电片)，各表面涂上粘结剂，穿到下定子的螺纹管上，上定子通过螺纹与下定子结合将纵振动压电陶瓷片与铜电极片夹在两定子中间；待粘结剂固化后上下定子与压电元件即形成一个整体，这时可将轴从定子的中空管穿入，把键装在轴上，将转子穿到轴上，靠键与轴抱紧；将垫片、盘形弹簧环按图示顺序装到轴上，拧上螺母至弹簧受到一定预压力；最后在铜电极片上焊好导线，接上驱动电路对马达进行调试。

实施例二为一种单转子一单晶片一双弯曲片纵弯驻波马达，其结构如图3所示，各主要部件说明如下：

31——轴 32——螺母 33——垫片 34——垫片 35——转子 36——定子上匹配块 361——弯曲压电晶片 362——弯曲振动片 363——小平面(安装时固定用)37——轴承 38——纵振动压电晶片 39——铜电极片 310——定子下匹配块 311——轴承 312——垫片 313——盘形弹簧环

该马达与实施例一马达工作原理相似，但结构上有所不同，该马达只有一个转子。具体可参考图3ab。

装配步骤：1.将弯曲振动压电晶片361粘结到定子上弯曲振动片的特定位置，弯曲振动片上只有一面粘贴压电片(单晶片)，粘贴的具体位置应根据相应的设计来确定，待压电晶片与定子牢固接触；2.将纵振动压电晶片38和铜电极片39按一定顺序叠放，各表面涂上粘结剂，穿到下定子匹配块上，将定子上匹配块通过螺纹拧到下匹配块上直到压电晶片被紧密压合，各部分成为一个整体；3.将轴承311压入定子中相应的轴承座中，将轴31从中穿入；4.把键装在轴上，将转子35穿到轴上，靠键与轴抱紧；5.将垫片33、34，312、盘形弹簧环313按图示顺序装到轴上，拧上螺母32；6.在铜电极片及弯曲压电晶片表面焊上细导线，便于同相应驱动电路连接；7.接上电源，对马达进行调试。

补充说明：

定子上设置的小平面63是为了便于安装，对马达性能无太大影响。

通过调节螺母可调节弹簧的形变程度，进而可调节定、转子间的预压力大小。

马达的各部件尺寸需进行计算和实验以使马达工作达到最佳效果。

Claims (3)

1、一种双向旋转纵弯驻波超声马达，包括含一个纵弯振动朗之万复合振子的定子，和转子，该纵弯振动朗之万复合振子由多个纵振压电片与上金属匹配块，下金属匹配块通过螺纹夹合制成，该纵振压电片中夹有铜电极片，其特征在于，所说的上、下金属匹配块为两个中空柱体，一轴插入其中，该振子的一端固定有弯曲振动片，所说的转子套在轴上，靠键与轴抱紧，并通过紧固螺母和弹簧施加预压力将所说的转子压在弯曲振动片上，所说的弯曲振动片的一侧面粘贴有压电片。

2、如权利要求1所述的双向旋转纵弯驻波超声马达，其特征在于，所说的振子的弯曲振动片另一侧也粘贴有压电片。

3、如权利要求1或2所述的双向旋转纵弯驻波超声马达，其特征在于，还包括在所说的振子的另一端固定有第二个粘贴有压电片的弯曲振动片，套在轴上，靠键与轴抱紧的第二个转子，该转子通过紧固螺母紧压在所说的振子的另一端的第二个弯曲振动片上。

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