专利名称：一种基于直接压电冲击转动的马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电超声马达，尤其涉及一种基于直接压电冲击转动的马达。
背景技术：
实用的微型马达市场需求巨大，但是由于比例缩小效应的作用，传统的电磁马达虽然具有较高的旋转速度，但是由于其低效率和扭矩过小难以实用化(1cm3的微型电磁马达扭矩只有几个μNm)。因此许多研究小组转向研发高能压电驱动的马达，由于压电驱动频率高，通常处于超声频率范围，通常也称为超声马达。超声马达可分为两类线性超声马达和转动超声马达。
实际上，微型线性超声马达已成功的应用于许多领域(光记忆存储和医疗器件领域)。线性超声马达的运动原理基于尺蠖和冲击驱动概念，采用压电振动元件(通常以一种堆的形式，其效率对尺寸变化不敏感)为驱动器。它能提供较大距离的运动和相对较大驱动力。
相对超声线性马达而言，由于现行转动超声马达结构复杂，转动超声马达性能与其线性驱动器相比相差甚远。现存下述两类转动超声马达扭力压电驱动马达和行波超声马达，以后者交为普遍。
行波超声马达(Traveling Wave Ultrasonic Motors，TWUM)，是现行最常见的压电旋转马达，它利用了静子膜和刚性转子之间接触点的椭圆形微米运动获得转动能力，其运动平滑、安静、并且能提供较大的力矩输出。已用于相机的自动对焦系统(比如佳能)，高精度位置编码马达，用于汽车的驱动器(用于头部位置驱动，车窗马达-Mercedes)。但是，这类马达的特征化方式非常复杂且其结构难以微型化；转子/静子结合处的磨损，严重影响了其使用寿命(只有2000小时)，长期运行不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于直接压电冲击转动的马达，通电后基于压电堆在主动伸展或者主动收缩时，L型弹性转子在内环中产生基于尺蠖运动的转动。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是包括外环、L型弹性转子和叠装在L型弹性转子一内侧面上的压电堆；L型弹性转子的两个端点的锯齿由于直接压电冲击能和外环整个内圆的齿槽啮合转动。
所述的压电堆上设置质量块。所述的L型弹性转子为弹性体材料。
本发明与背景技术相比具有的有益的效果是本发明采用了压电振动直接转化为马达的转动运动，相对于行波马达通过压电振动波由静子膜传导，依靠摩擦力推动转子运动，本发明则采用直接的压电振动转置方式。显然，直接压电冲击的转动运动有利与提高马达的扭矩；另外本发明的L型弹性转子转动时，与外环并不产生摩擦，而L型弹性转子两端与外环的齿槽形匹配消除了固定端与外环之间滑动的可能性，这些设计大大提高了马达的使用寿命。压电冲击直接转动的、高精度、高扭矩、安静运行的、可自锁的、易于微型化和生产成本低廉(0.6美元左右)的超声马达。可广泛应用与消费电子、微机电设备、微型医疗器件和微型机器人的领域。
图1是本发明的结构原理示意图；图2是基于尺蠖运动的、压电冲击直接转置的原理示意图；图3是L型端点和外环齿槽匹配示意图。
图中1、外环，2、L形弹性转子，3、压电堆，4、质量块，5、L形弹性转子端点，6、锯齿。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括外环1、L型弹性转子2和叠装在L型弹性转子2一内侧面上的压电堆3；L型弹性转子2的两个端点5的锯齿6由于直接压电冲击能和外环1整个内圆的齿槽啮合转动。
所述的压电堆3上设置质量块4，增加惯性冲击能力，以提高马达转动的效率。
所述的L型弹性转子2为两侧长度相等的弹性体材料，如弹簧钢片。
该超声马达由外环1、L型弹性转子2、精确控制的压电堆3构成。L型结构的两个端点(A，B)与外环1非固定连接，端点和外环1上制作成高精度的匹配齿槽，以减少外环1与内部L型弹性转子2之间的摩擦，延长马达寿命。通过优化的结构和压电堆3振动的精确控制，马达可以获得很高的步进精度(约1500/转)。压电堆3在主动伸展或者主动收缩时，L型弹性转子2将分别以A或者B为端点产生转动。
常见的现行行波超声马达，虽然相对高扭矩、可自锁、安静运行的特点，但是由于其结构和其特征化方式过于复杂，存在难以微型化、长期运行不稳定等缺陷，而且由于转子和静子的摩擦运行寿命短。
下表是行波超声马达的典型技术参数
下面是本发明压电转动马达的预计参数。为了易于同上表行波马达参数比较，同时给出直径为2mm和20mm马达的预计参数。
图2用于说明马达的转动运动原理。当压电堆3处于非驱动状态，L型弹性转子2的两个端点和外环1相连，处于自锁定状态；当压电堆3在脉冲驱动下处于伸展状态时图2(a)，由于L型弹性转子2结构的在冲击下处于变形，端点B与外环失去接触点，L型弹性转子2在冲击惯性作用下和压电堆3一起相对于A端以顺时针方向转动Δθ1；当伸展冲击电脉冲结束图2(b)，压电堆3回复其原始尺寸，端点B与外环再次建立新的连接。接下去的一个驱动电脉冲将使得压电堆3长度产生收缩图2(c)，这次L形弹性元件的变形则让端点A脱离与外环的接触点，L型弹性转子2在压电堆3的收缩作用下相对于B端再次产生顺时针旋转Δθ2；这两次电脉冲结束，意味着一个工作循环结束，压电堆3和L型弹性转子2均恢复原有的尺寸长度，经过一个工作循环L型弹性转子2两端与外环1在新的位置重新建立连接，进入自锁定状态。如此循环往复，该新型马达即可获得旋转和扭矩。
为获提高更好的转动传输效果，减少摩擦力，降低转子和外环间的磨损，L型弹性转子2顶端及外环1可通过微加工以成锯齿6(如图3所示)，锯齿6的形状和间距与L型弹性转子2的动力学性能完全匹配。
上述具体实施方式
用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于直接压电冲击转动的马达，其特征在于包括外环(1)、L型弹性转子(2)和叠装在L型弹性转子(2)一内侧面上的压电堆(3)；L型弹性转子(2)的两个端点的锯齿由于直接压电冲击能和外环(1)整个内圆的齿槽啮合转动。
2.根据权利要求1所述的一种基于直接压电冲击转动的马达，其特征在于所述的压电堆(3)上设置质量块(4)。
3.根据权利要求1所述的一种基于直接压电冲击转动的马达，其特征在于所述的L型弹性转子(2)为弹性体材料。
全文摘要
本发明公开了一种基于直接压电冲击转动的马达。包括外环、L型弹性转子和叠装在L型弹性转子一内侧面上的压电堆；L型弹性转子的两个端点的锯齿由于直接压电冲击能和外环整个内圆的齿槽啮合转动。相对于行波马达通过压电振动波由静子膜传导，依靠摩擦力推动转子运动，本发明则采用直接的压电振动转置方式。显然，直接压电冲击的转动运动有利与提高马达的扭矩；另外本发明的L型弹性转子转动时，与外环并不产生摩擦，而L型弹性转子两端与外环的齿槽形匹配消除了固定端与外环之间滑动的可能性，这些设计大大提高了马达的使用寿命。本发明可广泛应用与消费电子、微机电设备、微型医疗器件和微型机器人的领域。
文档编号H02N2/12GK101068101SQ20071006918
公开日2007年11月7日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者刘伟庭, 傅新, 凯撒-斯特方尼, 保罗-达里奥, 乔凡尼-奥兰帝 申请人:浙江大学