基于自由弯曲振动模式的圆柱状压电超声微马达 本发明属于精密仪器的驱动元件技术领域，特别涉及基于自由弯曲振动模式的圆柱状压电超声微马达的结构设计。
压电超声微马达作为精密仪器的驱动元件有广泛的应用。日本于1993年12月24日公布了一项题为“超声波马达”的专利(专利号：JP344759)，该项专利为一种典型的基于夹心式压电陶瓷换能器弯曲振动模式的压电超声微马达，其结构如图1所示，该马达定子10固定在一固定物体18上，马达定子由下匹配块101，上匹配块102，上下匹块之间紧压的压电陶瓷103组成。其中，上匹配块为波纹管，一中心固定螺杆12，通过上下匹配块中心孔的螺纹将置于其间的压电陶瓷压紧，螺杆下端拧入固定物体18中与之固连。带有齿轮盘的马达转子11插入螺杆上端部，通过螺母121紧压在102上端面与其紧密接触。
当给这种马达压电陶瓷输入电信号后，在固定界面一端处马达定子形式波动节面，与马达转子接触的一端为自由端面，产生行波波动，马达转子11绕固定轴12旋转，靠转子上的齿轮110产生力矩输出。
美国专利公布的用于照相机镜头驱动的振动波马达(USP5231325)，和上述日本公布的超声波马达有类似的结构，也是依靠多个压电圆片26、27、28、29分别在x、y方向激励弯曲振动，再用一个压电圆片25检测定子的弯曲振动，也依靠转子23上的齿轮23a产生力矩输出，如图2所示。
上述两种马达有以下不足。对于第一种，马达不是独立驱动元件，马达定子必须固定在某固定物体或较重的物体上，才能在固定面形成波动节面，在定子地自由端产生波动输出。其二，上述两种马达均依靠转子齿轮输出，当转子承受较大负载时，将使转子受到一垂直轴向的横向力，这个力会改变转子、定子间的均匀压力分布，导致依靠摩擦力输出力矩的转子的转速不稳，输出力矩下降；其三，转子依靠齿轮输出，被驱动件也必须是齿轮转动，使整个传动结构复杂，造价高；其四，由于受马达定子尺寸限制，马达转子上的齿轮外径不能小于定子尺寸，当驱动件尺寸很小，结果造成大齿轮转动小齿轮，使转速反而变快，为此不得不采取多个齿轮传动的方法，使速度减下来，这不便于用在一些空间受限制，要求低速精密驱动的场合。其五，这种马达需要多至5片压电元件用于激发弯曲振动和检测振动，压电激励元件成本高，组装工艺难度也较大。
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种基于自由弯曲振动模式的圆柱状压电超声微马达，采用双转子共轴力矩输出结构，充分利用马达定子上、下端的波动能量，使马达力矩输出加倍，承受负载能力更强。且进一步采用压电陶瓷圆管，以取代现有压电马达的多个压电激励元件和检测元件，使其结构简单，组装容易，并可获得同样的激励效果和检测效果。
本发明提出一种基于自由弯曲振动模式的圆柱状压电超声微马达，由中心轴及套于轴上的压电定子及转子所组成；所说的压电定子包括上、下匹配块及紧压于上、下匹配块之间的压电激励元件构成，其特征在于，所说的转子由紧压在定子的两个端面为双转子共轴力矩输出结构的上、下转子所组成。
本发明所说的定子的上、下两端内壁，还可有一对轴承，所说的中心轴置于两轴承之中，所说的上下转子与所说的中心轴通过压力机构紧配合。中心轴通过中心轴与转子之间的传动销钉和压力机构，来获得二转子的力矩输出。
所说的压电定子的上、下匹配块可为对称的波纹管状结构。也可为对称的哑玲状结构。
所说的压力机构可由中心轴下端部连接的法兰盘，橡胶片，中心轴上端部处的弹簧片与橡胶片，及插入中心轴上端部环形槽内的轴档卡环构成。
所说的压电定子中的激励元件可由一个压电陶瓷圆管和带有中心通孔的预紧螺杆构成，该预紧螺杆与所说的上、下匹配块螺合。
所说的压电陶瓷圆管可是一个沿壁厚度方向极化的压电陶瓷圆管，其外侧面主电极被划分成2对4个部分，分别用于激发x、y方向的弯曲振动，用于检测压电定子的振动；圆管一端部处设有一对附属的窄电极，用于检测压电定子的振动。
所说的中心轴靠近下转子端部可设有一法兰盘，靠近上转子端部开有一环形槽，所说的一轴档卡环嵌在其中，保持压力机构对上、下转子施加恒定的压力。
本发明所说的压电陶瓷圆管，可采用高压电常数d31、低损耗的压电陶瓷材料，可使马达定子获得更大的振幅，和提高马达的力矩输出。
本发明采用双转子共轴输出结构，充分利用马达定子上、下端的波动能量，使马达力矩输出加倍，承受负载能力更强，使转子输出更平稳有力，采用轴输出还可省去齿轮输出的诸多不便。且进一步采用压电陶瓷圆管，并通过划分电极的方法，作为马达定子的激励元件和振动信号检测和反馈元件，以取代现有压电马达的多个压电激励元件和检测元件，使其结构简单，组装容易，并获得同样的激励效果和检测效果。
附图简要说明：
图1为已有技术的微马达结构示意图。
图2为另一个已有技术的微马达结构示意图。
图3为本发明实施例之一总体结构示意图。
图4为实施例一的压电陶瓷圆管及激励方式示意图。
图5为本发明实施例之二总体结构示意图。
本发明设计出基于弯曲振动模式的压电超声微马达二个实施例，其结构如图3和图4所示，结合附图详细说明如下：
本实施例之一的总体结构如图3所示，该马达由压电定子31，上下转子321、322，中心轴323及弹性压力元件：橡胶片331、332及蝶弹333等组成。其中定子31由激励弯曲振动的机电转换元件压电陶瓷圆管314，对称置放在该压电圆管314两端，并通过带有中心通孔的预紧螺杆313预紧的上下波纹管311、312等组成。波纹管所起的作用是放大弯曲振动的振幅。
在定子的二端中心孔内，安装一对轴承351、352，使中心轴323被较好地定心，中心轴323通过弹性压力元件331、332、333及中心轴上的法兰盘342与卡环341等将转子321、322紧压在马达压电定子31两端，并保持一个恒定的压力。这两个转子可同时接收压电定子在二端面处产生的同方向行波波动输出，并通过共轴输出结构，获得加倍的力矩输出。二转子与中心轴之间设有传动销钉(未显示出)，可用来驱动中心轴产生力矩输出，称为双转子共轴输出。定子中的两个轴承不仅对中心轴起定心作用，还可允许马达中心轴在常负载输出时，可承受更大的横向负载而不影响转子、定子之间的压力，使转子输出更平稳有力。采用轴输出还可省去齿轮输出的诸多不便。
上述实施例激励弯曲振动的压电陶瓷圆管314及激励方式如图4所示。一对正交电压信号sinωt和cosωt分别输入到压电圆管二对主电极314a,314a’和314b,314b’(314a’,314b’未显示出)。圆管端部处的窄电极314c与314c’(未显示出)用于检测和获取压电定子的弯曲振动信号。
图5是本发明的另一实施例。与图3所示的实施例不同之处，是马达定子的上、下对称匹配块317、318为哑玲状结构，这种结构也具有放大弯曲振动波幅的功能。其它代号与图3中所示意义相同。定子的压电激励元件仍如图4所示。与已报导的同样基于弯曲振动模式的压电微马达(如图1、图2所揭示的日本与美国专利)相比，本发明压电超声微马达具有更大的力矩输出体积比；用于激励弯曲振动的压电元件，也从多至5片减少到一个，因此本发明的压电马达，其生产组装工艺和造价成本均可得到降低。