专利名称：短柱摇头型超声波电机的制作方法
技术领域：
本发明是一种摇头型超声波电机，尤其是一种短柱摇头型超声波电机，属于 超声波电机制造的技术领域。
技术背景超声波电机是一种具有全新驱动原理的电机，与传统电磁电机相比，超声波 电机不再使用线圈，采用压电陶瓷逆压电效应和定转子间摩擦耦合来完成电机从 电能到转矩输出能量的转换。因此超声波电机相对电磁电机具有响应快、低速大 转矩、无输入自锁、不受电磁干扰等优点。柱体摇头型超声波电机的研究起步较 晚，它采用兰杰文振子结构，电机定子利用金属匹配块锁紧压电陶瓷，电机装配 不需要黏结，装配工艺简单，成本较低，便于自动化生产。因此柱体摇头型超声 波电机在精密光学仪器、高精度跟踪伺服控制装置、照相机调焦等方面有广泛的 应用。柱体摇头型超声波电机定子由于采用兰杰文振子结构，为了提高电机能量转 换效率， 一般定子长度和直径间比例需要大于2倍，利用定子的两个正交的弯曲 振动合成产生定子的摇头运动。因此柱体摇头型超声波电机整体结构长度较长， 给实际应用带来一些问题。目前的柱体摇头型超声波电机，由于定子的固定会大 大影响其共振模态，因此电机固定一直存在问题，这使得电机很难在高精度伺服 驱动系统中应用。本发明提出的一种短柱摇头型超声波电机，定子长度和直径比 接近l: 1，大大縮短了电机的结构尺寸，实施例中电机定子直径15mm，整体电 机高度为18.5mm，并且本发明提出了一种有弹性支撑作用的固定底座结构，使 电机在固定到待安装位置时，不影响电机定子的振幅，从而对电机正常工作的影 响降至很小。发明内容技术问题本发明的目的在于提供一种短柱摇头型超声波电机，使电机性能 不变的情况下，大大縮短电机的长度;并且设计了具有弹性支撑作用的固定底座， 在不影响电机工作的情况下，能够很好的固定电机，使电机能够在高精度伺服驱 动系统中应用。技术方案本发明的短柱摇头型超声波电机，该电机包括定子、转子、固定 底座、轴，该电机的定子由定子上匹配块、定子下匹配块、轴承、上压电陶瓷、 下压电陶瓷、电极片组成，在轴外周的中段设有轴承，在轴承外周设有定子下匹 配块，定子下匹配块通过轴承与轴连接，在定子下匹配块外周设有下压电陶瓷， 下压电陶瓷的上端设置上压电陶瓷，在上压电陶瓷上端设有定子上匹配块，上压 电陶瓷的上端与下压电陶瓷的下端紧密配合在定子上匹配块与定子下匹配块之 间，定子上匹配块与定子下匹配块螺纹配合，在定子上匹配块上端设有转子，转 子和轴通过固定螺丝相接，定子下匹配块的下端设置固定螺母，固定螺母与定子 下匹配块之间设有垫片，上压电陶瓷、下压电陶瓷之间设有四片电极片，转子通 过弹性构件与定子上匹配块连接；定子下匹配块下端通过薄板连接在固定底座上。上述短柱摇头型超声波电机的连接件是对弹性转子的下部圆盘体开上外环 槽、内槽、下外环槽，从上外环槽底部到连接件的下端为弹性转子高度的36%， 下外环槽高度为弹性转子高度的15%，连接件的下端宽度为弹性转子直径的3 %到6%之间，电极片包括第一电极片、第二电极片、第三电极片、第四电极片， 各电极片均等分布在上压电陶瓷、下压电陶瓷之间，第一电极片和第三电极片为 一对电极，第二电极片和第四电极片为一对电极，每对电极片所对应的压电陶瓷 区域相互反相极化，弹性转子和轴通过固定螺丝相接，薄板是由聚合物构成，薄 板与定子下匹配块用胶黏结一起。有益效果本发明在于提供一种短柱摇头型超声波电机，相对于一般柱体摇 头型超声波电机，它的结构尺寸短小，定子直径15mm，这个电机长度为18.5mm。 这种短柱摇头型超声波电机采用了弹性固定底座，可以方便的将电机固定在待安 装位置上，并且不影响电机的运行使电机能够在高精度伺服驱动系统中应用。制 作的直径为15mm的短柱摇头型超声波电机，运行频率范围较宽，从
39kHz 43kHz都能稳定运行，最高转速超过200r/min,最低转速接近8r/min，电 机堵转力矩180gcm。
图1是本发明的总体结构图。其中有固定螺丝l、弹性转子2、定子上匹配块3、轴承4、上压电陶瓷5、下压电陶瓷6、固定底座7、定子下匹配块8、 电极片9、垫片IO、固定螺母ll、轴12、薄板13、连接件14。图2是本发明的压电陶瓷结构的示意图。其中的"+"为正相极化，"-"为 反相极化。其中有第一电极片91、第二电极片92、第三电极片93、第四电极 片94。图3是本发明连接件的结构示意图。图4是本发明弹性转子的结构示意图。其中有上外环槽21、内槽22、下 外环槽23。
具体实施方式
下面是本发明的具体实施例来进一步描述 实施例一本发明的短柱摇头型超声波电机由固定螺丝、转子、定子上匹配块和定子 下匹配块、轴承、压电陶瓷、固定底座、以及固定螺母和垫片所构成。定子上 匹配块和定子下匹配块为螺纹配合机构，它们夹持压电陶瓷并锁紧构成定子，定 子整体长度短小，接近1: 1，定子上匹配块开槽以放大定子的振动；转子和轴 通过固定螺丝装配到一起，固定螺母和垫片使转子以一定的预压力压在定子上。 电机的转子为弹性转子2，弹性转子2下部为连接件14,在施加预压力后，转子 产生弹性变形。弹性转子直径为15mm,这个电机长度为18.5mm。在 39kHz 43kHz都能稳定运行，连接件14的下端壁厚为0.45 rara时，电机最高转 速为180rpm，电机定子表面磨损明显增加，堵转转矩为50g cm左右，电机运 行噪音较大。图2是本发明的短柱摇头型超声波电机的定子包括2片压电陶瓷和4个电极 片，2片压电陶瓷相同，在2片压电陶瓷之间平均分布4个电极，即为4个极化
区。2片压电陶瓷对称叠合在一起，激励电压通过每对电极间电极片施加到压电 陶瓷上。电机定子安装在固定底座上，固定底座为菱形，并设置有弹性支撑聚合 物薄板，两端有2个固定安装孔，可以将整个电机固定在待安装位置上。实施例二本发明的短柱摇头型超—波电机由固定螺丝、转子、定子上匹配块和定子 下匹配块、轴承、压电陶瓷、固定底座、以及固定螺母和垫片所构成。定子上 匹配块和定子下匹配块为螺纹配合机构，它们夹持压电陶瓷并锁紧构成定子，定 子整体长度短小，接近1: 1，定子上匹配块开槽以放大定子的振动；转子和轴 通过固定螺丝装配到一起，固定螺母和垫片使转子以一定的预压力压在定子上。 电机的转子为弹性转子2，弹性转子2下部为连接件14，在施加预压力后，转子产生弹性变形。弹性转子直径为15mm，这个电机长度为18.5mm。在 39kHz 43kHz都能稳定运行，连接件14的下端壁厚为0. 75咖时，电机最高转 速为200rpm，堵转转矩为180g cm左右，电机运行平稳、无噪音。图2是本发明的短柱摇头型超声波电机的定子包括2片压电陶瓷和4个电极 片，2片压电陶瓷相同，在2片压电陶瓷之间平均分布4个电极，即为4个极化 区。2片压电陶瓷对称叠合在一起，激励电压通过每对电极间电极片施加到压电 陶瓷上。电机定子安装在固定底座上，固定底座为菱形，并设置有弹性支撑聚合 物薄板，两端有2个固定安装孔，可以将整个电机固定在待安装位置上。实施例三本发明的短柱摇头型超声波电机由固定螺丝、转子、定子上匹配块和定子 下匹配块、轴承、压电陶瓷、固定底座、以及固定螺母和垫片所构成。定子上 匹配块和定子下匹配块为螺纹配合机构，它们夹持压电陶瓷并锁紧构成定子，定 子整体长度短小，接近1: 1，定子上匹配块开槽以放大定子的振动；转子和轴通过固定螺丝装配到一起，固定螺母和垫片使转子以一定的预压力压在定子上。电机的转子为弹性转子2，和定子的接触部分部为连接件14,在施加预压力后， 转子产生弹性变形。弹性转子直径为15mm，这个电机长度为18.5mm。在 39kHz 43kHz都能稳定运行，连接件14的下端壁厚为0. 9 mm时，电机最高转速
为100rpm，电机定子表面磨损明显增加，堵转转矩为80g cm左右，电机运行 噪音变大。图2是本发明的短柱摇头型超声波电机的定子包括2片压电陶瓷和4个电极 片，2片压电陶瓷相同，在2片压电陶瓷之间平均分布4个电极，即为4个极化 区。2片压电陶瓷对称叠合在一起，激励电压通过每对电极间电极片施加到压电 陶瓷上。电机定子安装在固定底座上，固定底座为菱形，并设置有弹性支撑聚合 物薄板，两端有2个固定安装孔，可以将整个电机固定在待安装位置上。
权利要求
1、一种短柱摇头型超声波电机，该电机包括定子、弹性转子(2)、固定底座(7)、垫片(10)、轴(12)，其特征在于该电机的定子由定子上匹配块(3)、定子下匹配块(8)、轴承(4)、上压电陶瓷(5)、下压电陶瓷(6)、电极片(9)组成，在轴(12)外周的中段设有轴承(4)，在轴承(4)外周设有定子上匹配块(3)、定子下匹配块(8)，定子下匹配块(8)与轴承(4)相接，定子上匹配块(3)的下部与定子下匹配块(8)的上部螺纹配合，上压电陶瓷(5)的上端与下压电陶瓷(6)的下端紧密配合在定子上匹配块(3)与定子下匹配块(8)之间，上压电陶瓷(5)、下压电陶瓷(6)之间设有4个电极片(9)，在定子上匹配块(3)上端设有弹性转子(2)，弹性转子(2)的下部设有连接件(14)，连接件(14)的下端与定子上匹配块(3)的上端接触，弹性转子(2)和轴(12)相接，定子下匹配块(8)的下端设置固定螺母(11)，固定螺母(11)与定子下匹配块(8)之间设有垫片(10)，定子下匹配块(8)外周凸出部的下端通过薄板(13)连接在固定底座(7)上。
2、 根据权利要求1所述的短柱摇头型超声波电机，其特征在于所述的连接 件(14)是对弹性转子(2)的下部圆盘体开上外环槽(21)、内槽(22)、下外 环槽(23)，从上外环槽(21)底部到连接件(14)的下端高度为弹性转子(2) 高度的36%,下外环槽(23)高度为弹性转子(2)高度的15%，连接件(14) 的下端壁厚为弹性转子(2)直径的3%到6%之间。
3、 根据权利要求1所述的短柱摇头型超声波电机，其特征在于所述的电极 片(9)包括第」电极片(91)、第二电极片(92)、第三电极片(93)、第四电极 片(94)，各电极片均等分布在上压电陶瓷(5)、下压电陶瓷(6)之间，第一电 极片(91)和第三电极片(93)为一对电极，第二电极片(92)和第四电极片(94) 为一对电极，每对电极片所对应的压电陶瓷区域相互反相极化。
4、 根据权利要求1所述的短柱摇头型超声波电机，其特征在于所述的弹性 转子(2)和轴(12)通过固定螺丝(11)相接，薄板(13)是由聚合物尼龙构 成，薄板(13)与定子下匹配块(8)用环氧胶黏结一起。
全文摘要
本发明是一种短柱摇头型超声波电机属于超声波电机制造的技术领域，由定子、转子以及安装固定底座组合而成，定子上匹配块和定子下匹配块为螺纹配合机构，它们夹持压电陶瓷并锁紧构成定子；转子和轴通过固定螺丝装配到一起，固定螺母和垫片使转子以一定的预压力压在定子上。定子整体长度短小，转子采用弹性支撑结构，以提高电机运行性能，电机定子安装在固定底座上，固定底座为菱形，并设置有弹性支撑的薄板，两端有2个固定安装孔，可以将整个电机固定在待安装位置上。
文档编号H02N2/12GK101119078SQ200710130949
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月24日 优先权日2007年8月24日
发明者焱 张, 徐志科, 秦申蓓, 胡敏强, 龙 金, 顾菊平 申请人:东南大学