行波超声波马达定子及设置该行波超声波马达定子的马达的制作方法

本实用新型涉及驱动装置领域，具体而言，涉及一种行波超声波马达定子及设置该行波超声波马达定子的马达。

背景技术：

超声波马达是一种国外在上世纪八十年代发展起来的新型为马达，它是一种将压电陶瓷逆压电效应激发的微观振动作为驱动力，通过多种振动模式的转换与耦合，使电能转变成机械能的驱动装置。传统行波超声波马达的结构实际大同小异，形式简单，是目前应用最广泛的超声波马达之一。

传统的行波式超声波马达，使用的压电陶瓷的极化方向为d31压电方向。压电陶瓷制作为环状薄片紧贴在定子远离转子的表面，整个压电陶瓷工作于d31压电系数方向，在电场的激励下产生面内的伸缩位移，然而，压电陶瓷虽然具有很好的抗压的能力，但是现有的压电陶瓷的抗拉能力差，即现有的压电陶瓷能够承受的拉应力很弱。根据相关的疲劳试验数据表明，行波型超声波马达的损坏，主要原因是因为压电陶瓷在工作时一直交替的承受着拉应力和压应力造成的，而现有技术中行波型超声波马达中的定子较薄，遇到冲击、振动等情况均可能发生较大的形变，如果冲击、振动的频率在其特征频率的附近，那么产生的形变就会更大，这样就会极易将紧贴在定子一侧的压电陶瓷薄片振出微小的裂纹，造成整机性能下降或失效。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种行波超声波马达定子，其在定子的卡槽中设置压电陶瓷，可以显著地提高马达的输出力矩；该压电陶瓷不容易出现裂纹，提高了设置该行波超声波马达定子的马达的使用寿命；同时压电陶瓷的伸缩方向在压电陶瓷片的堆叠的垂直方向，动作效果明显，工作的电压反而降低，这对配套的驱动电路的要求也就得到了降低。

本实用新型的另一目的在于提供一种设置了上述行波超声波马达定子的马达，其能够利用设置在其中的行波超声波马达定子提升马达本身的性能和使用寿命；还可以降低工作电压，使得马达的驱动电路的电压要求也得到相应的降低。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种行波超声波马达定子，其包括定子和多个压电陶瓷，定子的一侧设置有梳齿，定子的与设置梳齿一侧相对的另一侧包括第一弧形区、第二弧形区、第三弧形区和第四弧形区，第一弧形区和第三弧形区对称设置于定子的中心轴的两侧，第一弧形区和第三弧形区均设置有多个卡槽，多个压电陶瓷一一嵌设于卡槽，压电陶瓷的相对两侧设置有第一电极和第二电极，压电陶瓷包括依次堆叠的多个压电陶瓷片，相邻的两个压电陶瓷片间形成间隙，相邻的两个间隙分别设置第三电极和第四电极，第三电极与第一电极电连接，第四电极与第二电极电连接。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第一电极设置于压电陶瓷朝向定子的中心轴的一侧，第二电极设置于压电陶瓷远离定子的中心轴的一侧。

在本实用新型较佳的实施例中，上述多个压电陶瓷包括第一压电陶瓷和第二压电陶瓷，多个卡槽分别沿第一弧形区和第三弧形区的周向均匀分布，多个卡槽包括至少一个卡槽组，第一弧形区和第三弧形区均设置至少一个卡槽组，每个卡槽组包括四个卡槽，至少一个卡槽组中的多个卡槽交替嵌设第一压电陶瓷和第二压电陶瓷。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第一弧形区和第三弧形区的卡槽组的数量均为一个。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第一电极和第二电极为涂覆于压电陶瓷的相对的两侧的导电银层。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第三电极和第四电极为涂覆于两个相邻间隙内的导电银层。

在本实用新型较佳的实施例中，上述梳齿沿定子的周向均匀分布。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第二弧形区与第四弧形区在同一圆周上的弧长比为3:1。

一种马达，其包括上盖、轴承、下盖、转轴、转子和上述的行波超声波马达定子，上述轴承连接于上盖，转轴的两端分别与轴承和下盖转动连接，转子和定子依次套设于转轴，转子位于定子的靠近轴承的一侧，转子靠近定子的一侧还设置有摩擦层，定子的设置有梳齿的一侧朝向转子。

在本实用新型较佳的实施例中，上述上盖还包括弹性件，弹性件套设于转轴并且位于轴承靠近转子的一侧。

本实用新型实施例的有益效果是：该马达中设置了本实用新型提供的行波超声波马达定子，该行波超声波马达定子将压电陶瓷设置于定子的第一弧形区和第三弧形区的卡槽中，该压电陶瓷的工作方向不是紧贴定子表面切向伸缩，而是垂直定子的卡槽面伸缩，可以显著地提高马达的输出力矩；该压电陶瓷由多个压电陶瓷片堆叠而成，当定子受到振动、冲击发生形变时，压电陶瓷不容易出现裂纹，提高了设置该行波超声波马达定子的马达的使用寿命；同时，压电陶瓷采用多层压电陶瓷片堆叠烧结而成，虽然厚度有所增加，但是工作的电压反而降低，使得马达的驱动电路的电压要求也得到相应的降低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的马达的拆分结构示意图；

图2为本实用新型实施例中行波超声波马达定子的示意图；

图3为本实用新型实施例中行波超声波马达定子的剖面图；

图4为本实用新型实施例中压电陶瓷的示意图。

图标：100-马达；110-上盖；120-轴承；130-下盖；140-转轴；150-转子；160-摩擦层；170-弹性件；200-行波超声波马达定子；210-定子；220-压电陶瓷；221-压电陶瓷片；230-梳齿；240-卡槽；250-第一电极；260-第二电极；270-第三电极；280-第四电极；310-第一弧形区；320-第二弧形区；330-第三弧形区；340-第四弧形区。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例

请参照图1，本实施例提供一种马达100，该马达100包括上盖110、轴承120、下盖130、转轴140、转子150和行波超声波马达定子200。

马达100的上盖110的中心的部位设置有一个圆槽，上述圆槽用于设置轴承120，轴承120的中心开设一个圆孔，上述圆孔用于设置转轴140。将转轴140转动连接于轴承120，保证了转轴140在工作状态下的正常转动。

转轴140靠近轴承120的一端依次套设有转子150、行波超声波马达定子200和下盖130，下盖130的中心部开设有一通孔，转轴140可以穿过下盖130的通孔并且伸出该通孔。上盖110具有一个内腔，上述的轴承120、转子150、行波超声波马达定子200和转轴140未伸出下盖130的部分均设置于上述上盖110的内腔中，上盖110的四周设置有多个螺孔并且下盖130设置有与上述螺孔对应的固定孔，螺孔和固定孔的内壁均设置有内螺纹，将轴承120、转子150和行波超声波马达定子200等设置完成后，用螺钉穿过各个螺孔和固定孔即可实现整个马达100的组装。

优选地，本实施例中的螺孔和固定孔的数量均为四个，并且均匀的设置在上盖110和下盖130的四周，上述的螺孔和固定孔的设置方式，有效地提高了固定的牢靠程度，又降低了马达100生产的工序。

在转子150靠近轴承120的一侧还设置有弹性件170，通过弹性件170的设置可以使转子150和行波超声波马达定子200的接触更加的紧密，有利于提升马达100整体的工作效率。

上述弹性件170可以为蝶簧或者弹簧等具有弹性的元件，本实施例中采用的是蝶簧，蝶簧相较于弹簧而言具有以下优势，蝶簧在较小的空间内承受的载荷较弹簧而言更大，同时其具有变刚度特性，即通过改变蝶簧片内截锥高度与厚度的比值，可以得到不同的弹簧特性曲线，还可以通过不同厚度蝶簧片的组合或由不同组合方式得到变刚度特性。

转轴140和转子150的连接方式包括将转子150通过中心的通孔直接套设于转轴140上、通过转子支架固定于转轴140、在转轴140上焊接辐向筋作支架再将转子150中心的通孔套设于辐向筋等，同时转子150与转轴140连接必须可靠，才能有效传递力矩，转子150和转轴140的紧固形式包括键连接和过盈配合等，而在超高速电转轴上，因为转速的提高，所以对转轴140上零件的动平衡要求非常高，键连接等转子150和转轴140的连接方式均不适用，而采用可拆卸的阶梯过盈连接。

优选地，本实施例的转轴140和转子150的连接方式采用过盈连接，过盈连接的优点主要如下，过盈连接不会在转轴140上产生弯曲和扭转应力，对转轴140的旋转精度不会产生影响；过盈连接更容易保证零件定位端与轴心线的垂直度，使转轴140在预紧时不会因为转轴140受力不均而影响转轴140的使用寿命；过盈套的质量均匀，转轴140动平衡容易得到保证；一般采用热套法进行过盈配合的安装，用注入压力油的方法进行拆卸，对转轴140不产生损害；过盈配合的定位可靠，可以有效提高转轴140的刚度。

转子150和行波超声波马达定子200贴合，在转子150和行波超声波马达定子200贴合面之间，转子150上还设置有摩擦层160，即在转子150和行波超声波马达定子200接触的面上覆有一层摩擦材料。因为超声波马达100是依靠摩擦耦合来传递动力的，摩擦界面的磨损和疲劳是不可避免的，这大大的影响了超声波马达100的使用寿命和应用领域，所以摩擦层160合理的设置有利于马达100的使用寿命的延长和应用领域的扩展。

具体地，摩擦层160的摩擦材料可以选择高分子基摩擦材料、陶瓷涂层摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、金属镀层摩擦材料等。其中，高分子基摩擦材料的基体又分为环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、氯丁橡胶、丁腈橡胶等。

优选地，本实施例中采用的是高分子基摩擦材料中的环氧树脂基摩擦材料，该环氧树脂基摩擦材料的优点包括：良好的表面粘结力和内聚力；良好的耐磨性；制作成本较低；更容易适应各种超声波马达100的制备。

请参照图2、图3和图4，行波超声波马达定子200包括定子210、梳齿230和多个压电陶瓷220，定子210远离转子150的一侧包括第一弧形区310、第二弧形区320、第三弧形区330和第四弧形区340，第一弧形区310和第三弧形区330对称设置于定子210的中心轴的两侧。压电陶瓷220包括第一压电陶瓷和第二压电陶瓷，而4个卡槽240组成了一个卡槽组，第一弧形区310和第三弧形区330均设置一个卡槽组，第一弧形区310和第三弧形区330内的4个卡槽240均是沿着周向均匀分布的，即沿定子210的周向设置。每个卡槽组中的压电陶瓷220的分布均为第一压电陶瓷和第二压电陶瓷交替排列。

上述的压电陶瓷220的两个相对的侧壁上分别设置有第一电极250和第二电极260，第一电极250设置于压电陶瓷220朝向上述定子210的中心轴的一侧，第二电极260设置于压电陶瓷220远离上述定子210的中心轴的一侧。

优选地，为了进一步降低工人安装第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的难度，同时尽可能的避免安装出错，第一弧形区310和第三弧形区330的第一压电陶瓷和第二压电陶瓷陶瓷的交替安装以定子210的中心轴呈对称。同时，压电陶瓷220的安装方式为先借助外力将卡槽240微微撑开，在给压电陶瓷220通入电场方向和压电陶瓷220极化方向相反的电信号，使压电陶瓷220收缩，将收缩状态的压电陶瓷220放入卡槽240中，当压电陶瓷220装配完成后，在没有通电的情况下卡槽240的侧壁对压电陶瓷220有压紧的作用，上述安装方式使压电陶瓷220在非工作状态和工作状态时主要受压应力，可以有效地增加压电陶瓷220的寿命，从而提高马达100的寿命。

需要说明的是，上述压电陶瓷220的安装数量所对应的是B03的工作模态时的激发波长，当需要直径更大的定子210的时候，可以相对的选择B05、B07或者更高的工作模态，相应的增加压电陶瓷220和卡槽组的数量。

第二弧形区320与第四弧形区340在同一圆周上的弧长比为3:1，即在定子210的圆周面上，第二弧形区320的圆周面上的圆周弧长等于第四弧形区340的圆周面上的圆周弧长的3倍，并且作为优选，第二弧形区320的弧长等于在工作模态下的行波波长的四分之三，第四弧形区340的弧长等于在工作模态下的行波波长的四分之一。上述的第四弧形区340为孤极区，即是传感器区，该区可以利用压电陶瓷220的正压电效应产生实时反映定子210的振动情况的电压信号，利用该电压信号作为馈入信号可用于控制系统判断谐振点的漂移。

请参照图4，上述的压电陶瓷220是由多个压电陶瓷片221堆叠烧结而成的，相邻的两个压电陶瓷片221之间形成间隙，相邻的两个间隙之间分别设置有第三电极270和第四电极280，第三电极270电连接上述的第一电极250，第四电极280电连接上述的第二电极260。在压电陶瓷220中设置电极的作用在于给电极外加电场使压电陶瓷220经过极化处理，各个压电陶瓷220中的各压电陶瓷片221的极化方向是交错排布的。第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的区别在于，向第一压电陶瓷的第一电极250和第二压电陶瓷的第一电极250施加的直流电场的方向相反；同理向第一压电陶瓷的第二电极260和第二压电陶瓷的第二电极260施加的直流电场的方向也相反；即第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的极化方向不同；由此可知，第一压电陶瓷和第二压电陶瓷内部交错排布的极化方向刚好相反。由于第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的极化方向不同，当给压电陶瓷220通入激励信号时，各压电陶瓷220会在电激励信号的作用下进行相应的收缩伸张，将振动力作用于卡槽240的壁，则会形成相应的行波振动。

具体地，给第一弧形区310的各个压电陶瓷220通入sin相位交流电，给第三弧形区330的各个压电陶瓷220通入cos相位交流电，其中定子210是接地端。若交换第一弧形区310上的压电陶瓷220和第三弧形区330上的压电陶瓷220通入的交流电信号，则马达100反向转动。

优选地，本实施例中的第一电极250和第二电极260为涂覆于压电陶瓷220的相对的两侧的导电银层；第三电极270和第四电极280为涂覆于两个相邻的压电陶瓷片221的间隙内的导电银层。上述导电银层为在压电陶瓷220的相对两侧以及两个相邻压电陶瓷片221的间隙涂覆导电银浆而成，导电银浆可选择聚合物银导电浆料或者烧结型银导电浆料等，本实施例则选用烧结型银导电浆料涂覆于相应位置，烧结得到具有电极的压电陶瓷220。

进一步优选地，压电陶瓷220可以通过柔性的PCB粘接或者直接在电极面焊线的方式完成通电激励。本实施例采用焊线的方式进行通电激励。

梳齿230设置于定子210朝向转子150的一侧，即定子210的远离设置卡槽240的一侧，并且梳齿230沿着定子210的周向均匀设置，当压电陶瓷220在定子210上形成行波振动后，该振动可以通过定子210朝向转子150的一侧设置的梳齿230放大，并且作用于转子150，从而推动转子150的转动。

本实施例提供的马达100的工作原理是：设置于该马达100的行波超声波马达定子200中的定子210的远离转子150的一侧有第一弧形区310和第三弧形区330，第一弧形区310和第三弧形区330均分别设置有一个卡槽组，每个卡槽组均有4个卡槽240，在第一弧形区310的4个卡槽240中按照第一压电陶瓷和第二压电陶瓷交替排列的方式一一嵌设于各个卡槽240中，在第三弧形区330中按照同样的交替方式嵌设第一压电陶瓷和第二压电陶瓷，并且第一弧形区310中的第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的安装方式和第三弧形区330中的安装方式以定子210的中轴线对称，第一压电陶瓷的第一电极250和第二压电陶瓷的第一电极250进行极化时连通的直流电场的方向相反，将压电陶瓷220安装于定子210之后，第一弧形区310的压电陶瓷220均连通sin相位交流电，第三弧形区330的压电陶瓷220均连通cos相位交流电，使各个压电陶瓷220可以垂直卡槽240的侧面进行伸缩，在定子210的侧壁形成行波振动，该行波振动通过定子210朝向转子150的一侧的梳齿230放大，作用到转子150上面，进而推动转子150的旋转，带动转轴140的转动，使马达100处于运转的状态。

综上所述，本实用新型提供的设置了行波超声波马达定子的马达，利用设置于定子的第一弧形区和第三弧形区的卡槽的压电陶瓷，使压电陶瓷的工作方向不再是紧贴定子表面切向伸缩，而是垂直定子的卡槽侧面伸缩，可以显著地提高马达的输出力矩；该压电陶瓷由多个压电陶瓷片堆叠而成，当定子受到振动、冲击发生形变时，压电陶瓷不容易出现裂纹，提高了设置该行波超声波马达定子的马达的使用寿命；而且因为压电陶瓷是由多层压电陶瓷片堆叠烧结而成的，其厚度增加，但是压电陶瓷的伸缩方向在压电陶瓷片的堆叠的垂直方向，动作效果明显，相应的降低了工作电压，使得马达的驱动电路的电压要求也得到相应的降低。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。