CN1207839C - 通用的中空结构大力矩环形压电超声波电机 - Google Patents

Abstract

通用的中空结构大力矩环形压电超声波电机属于压电超声波电机技术领域，其特征在于：定子含有表面带有连续梳状驱动齿的金属环和环形压电陶瓷片；转子含有与定子驱动齿配合的金属环片、碟形弹簧和橡胶垫片；基座含有对中心轴空间定位的标准球轴承和对定子作空间定位的底座；轴的部分含有中空的中心轴，该轴靠近转子一端的轴键，中心轴下部有螺纹处的环形垫圈和预紧螺母；上述陶瓷片反面沿厚度方向极化，每1/2波长反向一次，两组极化区间在空间上差1/4波长或3/4波长，反面接地；正面上两组极化区间分别接相位差为90度的两路交流信号，形成两组驻波，两组驻波合成行波。中心轴上有螺钉孔，用于固定穿过电机中空部分的被执行件。它具有通用性而且最大输出力矩大于5Kgfcm，转速小于120r/min。

Description

通用的中空结构大力矩环形压电超声波电机

技术领域

通用的中空结构大力矩环形压电超声波电机属于压电超声波电机技术领域。

背景技术

压电超声波电机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。国外的环形压电电机主要有两种：一种是因为采用环形结构的压电陶瓷片，而称为环形压电电机，但它不具备结构中空的特点。图1是日本Sashida，Matsushita和Canon公司开发的环形压电超声波电机的结构，它主要包括转子11、摩擦材料12、定子13和压电陶瓷环片14。定子的固定方式均采用在压电陶瓷片的下面垫上一层软的橡胶片。因而很难对定、转子间提供足够的预紧力，当外径为60mm时，电机的最大输出力矩一般在1Kgfcm左右。图2是Shinsei公司开发的环形压电超声波电机的结构，它主要包括转子20、定子21、轴22、预紧调整机构23、基座24和外壳25。其中，预紧调整机构23包括弹性碟片230、橡胶垫片231、调整垫片232和轴用预紧螺母233。转子20包括金属板201和摩擦材料202。定子21由铣有齿2110的金属圆板211、环形陶瓷片212组成。基座除了基座本身以外，还有轴套241和轴承242。其定子21多采用在定子圆板211的内周用螺钉或其它刚性简支的方式固定，比较适合加比较大的轴向预紧力，为获得大的输出力矩提供了可能，当外径约60mm时，电机的最大输出力矩一般在6Kgfcm左右，但这种环形压电电机的结构是非中空的。国外另外一种是专门为照相机配套使用的环形压电电机，其结构具有中空的特点，供光从中间通过，但电机本身的设计不是基于通用产品的，它的基座、调整件等都是与相机镜头配合使用的，不具有通用性，其最大输出力矩也不大。因而它不具备通用性和大力矩的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用的中空结构大力矩压电超声波电机以供精密机械中作驱动元件使用。

本发明的特征在于，它含有：定子，包括表面带有连续梳状驱动齿的金属环和连接于该金属环底部的环形压电陶瓷片；转子，包括底面与上述定子驱动齿配合的金属环片，碟形弹簧和位于该金属环片上端面且受压于该碟形弹簧的橡胶垫片；基座，包括对输出轴空间定位的标准球轴承和用内孔对上述定子进行空间定位的基座；输出轴，包括中空的中心轴，该中心轴靠近转子一端的轴键，靠近中心轴下端有螺纹处的环形垫圈和预紧螺母；上述环形压电陶瓷片反面沿厚度方向极化，每半个波长反向一次，该压电陶瓷的极化区间分成二组，二组之间空间相差1/4波长或3/4波长，该压电陶瓷的反面为统一接地电极，其正面上，在压电陶瓷片的两组极化区间分别接相位差为90度的两路交流信号。在所述中心轴的上端靠近转子处有固定穿过电机中空部分的被执行件的螺孔。在所述中心轴的上端靠近碟形弹簧处有压紧碟形弹簧用的法兰盘。

使用证明它达到了预期目的。

附图说明

图1已有环形压电超声波电机的结构示意图一。

图2已有环形压电超声波电机的结构示意图二。

图3本发明实施例的中空环形压电超声波电机的结构示意图。

图4本发明实施例的中空环形压电超声波电机定子的结构示意图。

图5本发明实施例的环形压电陶瓷片的极化分布示意图；a，正面；b，反面。

图6本发明实施例的中空环形压电超声波电机定子的实际振动测试结果。

图7本发明实施例的中空环形压电超声波电机的照片。

具体实施方式

请见图3～图5。

图3是本实施例的总体结构。它由转子部分30、定子部分31、基座部分32、轴部分33组成。其中，定子部分31是由带有梳状驱动齿310的金属环313和环形压电陶瓷片314构成，环形压电陶瓷片314通过环氧树脂胶粘接在金属环313的底部；基座部分32有一个带有固定螺孔3210的基座321，它的内壁有一标准球轴承320用于对中心轴33定位；转子30由碟形弹簧300、橡胶片301和金属环片302组成，橡胶片301和金属环片302用环氧树脂胶粘接，在碟形弹簧300的作用下，金属环片302紧密地与定子驱动齿310配合，使转子部分30和定子部分31紧密接触；轴33包括：靠近转子30一侧的轴键331、靠近中空的中心轴330下端的螺纹3301处的环形垫圈332和预紧螺母333，中心轴330的靠近转子30一侧还分布有4个螺钉孔3300和一个法兰盘3302，螺钉孔3300的作用是固定穿过电机中空部分的被执行件。法兰盘3302的作用是压紧碟形弹簧300。电机的输出力矩通过转子30中的金属环片302、橡胶环片301、碟形弹簧300传给中心轴330，再通过螺钉孔3300中的螺钉传给被执行件。

图4是其定子结构。定子31主要由环形压电陶瓷片314和中间减薄的金属环313组成，两者用环氧树脂胶连接。在定子31的内圈有一个凸台312，它坐在基座321的内孔中，起到对压电电机的定子31定位的作用。定子31的外缘有梳状齿结构310，其作用是放大定子31的振幅。在金属环片313的减薄处有光孔311，其中，有一个光孔需要用螺钉固定驱动电源的地线，有一个光孔通过圆柱定位销与基座321之间实现圆周固定。

压电陶瓷环片314正面和反面的分区如图5所示。正面有两个时间相位差90度的电信号SIN和COS的输入端，还有反映振动状态的电信号反馈端。压电陶瓷片314反面的正负符号代表了相应陶瓷区的极化方向，压电陶瓷环片314沿厚度方向极化，每半个波长反向一次。压电陶瓷片314的极化区间分成两组，两组之间空间相差1/4波长或3/4波长。该压电陶瓷314的反面为统一接地电极，其正面上，在压电陶瓷片的两组极化区间分别接相位差为90度的两路交流信号。压电陶瓷片314的反面与金属环313相粘接。

本实施例的定子的振动测试结果示意图见图6。该图像是激光多普勒的测试结果，一深一潜两者颜色分别代表沿定子厚度方向的正反振动。这一图像是其中一路SIN或COS在压电电机的定子31上形成的一列驻波，当同样的另一列空间位置相差1/4波长的驻波也在定子上形成，就会形成可以实现驱动的行波。相应的中空环形压电超声波电机的照片如图7所示。

本实施例的中空结构环形压电超声波电机其主要性能参数如下：外形为圆饼状，定子直径62mm，电机主体厚度20mm，电机内部中空直径20mm，轴长55mm，直径25mm，工作频率在33kHz(8个波长)和40kHz(9个波长)两种情况下均可以正反双向旋转，电机运动方式步进和连续转动均可，转速小于120r/min，最大力矩大于5kgfcm。

Claims (3)

1、通用的中空结构大力矩环形压电超声波电机，包括转子、定子、基座部分和输出轴，其特征在于它含有：定子，包括表面带有连续梳状驱动齿的金属环和连接于该金属环底部的环形压电陶瓷片；转子，包括底面与上述定子驱动齿配合的金属环片，碟形弹簧和位于该金属环片上端面且受压于该碟形弹簧的橡胶垫片；基座部分，包括对输出轴空间定位的标准球轴承和用内孔对上述定子进行空间定位的基座；输出轴，包括中空的中心轴，该中心轴靠近转子一端的轴键，靠近中心轴下端有螺纹处的环形垫圈和预紧螺母；上述环形压电陶瓷片沿厚度方向极化，每半个波长反向一次，该压电陶瓷的极化区间分成二组，二组之间空间相差1/4波长或3/4波长，该压电陶瓷的反面为统一接地电极，其正面上，在压电陶瓷片的两组极化区间分别接相位差为90度的两路交流信号。

2、根据权利要求1所述的通用的中空结构大力矩环形压电超声波电机，其特征在于：在所述中心轴的上端靠近转子处有固定穿过电机中空部分的被执行件的螺钉孔。

3、根据权利要求1所述的通用的中空结构大力矩环形压电超声波电机，其特征在于：在所述中心轴的上端靠近碟形弹簧处有压紧碟形弹簧用的法兰盘。

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